Возможна ли проверка ШИМ контроллера мультиметром
Широтно–импульсные преобразователи являются конструктивной частью импульсных блоков питания электронных устройств. Разберем, как проверить ШИМ контроллер с применением мультиметра, на примере материнской платы компьютера.
Проверка на материнской плате
Итак, при включении питания платы, срабатывает защита. В первую очередь, необходимо проверить мультиметром сопротивление плеч стабилизатора.
Для этих целей также может быть использован тестер радиодеталей. Если одно из них показывает короткое замыкание, то есть, измеренное сопротивление составляет меньше 1 Ома, значит, пробит один из ключевых полевых транзисторов.
Выявление пробитого транзистора в случае, если стабилизатор однофазный, не составляет труда – неисправный прибор при проверке мультиметром показывает короткое замыкание. Если схема стабилизатора многофазная, а именно так питается процессор, имеет место параллельное включение транзисторов. В этом случае, определить поврежденный прибор можно двумя путями:
- произвести демонтаж транзистора и проверить мультиметром сопротивление между его выводами на предмет пробоя;
- не выпаивая транзисторы, замерить и сравнить сопротивление между затвором и истоком в каждой из фаз преобразователя. Поврежденный участок определяется по более низкому значению сопротивления.
Второй способ работает не во всех случаях. Если пробитый элемент определить не удалось, придется все же выпаять транзистор.
Далее производится замена поврежденного транзистора, а также, установка на место всех выпаянных в процессе диагностики радиоэлементов. После этого можно попытаться запустить плату.
Первое включение после ремонта лучше выполнить, сняв процессор и выставив соответствующие перемычки.
Если первый запуск был успешным, можно проводить тест с нагрузкой, контролируя температуру мосфетов.
Неисправности ШИМ контроллера могут проявляться так же, как и пробой мосфетов, то есть уходом блока питания в защиту. При этом проверка самих транзисторов на пробой результата не дает.
Кроме этого, следствием нарушения функций ШИМ контроллера может быть отсутствие выходного напряжения или его несоответствие номинальной величине. Для проверки ШИМ контроллера следует вначале изучить его даташит.
Наличие высокочастотного напряжения в импульсном режиме, при отсутствии осциллографа, можно определить, используя тестер кварцев на микроконтроллере.
Признаки неисправности, их устранение
Перейдем к рассмотрению конкретных признаков неисправностей ШИМ контроллера.
Остановка сразу после запуска
Импульсный модулятор запускается, но сразу останавливается. Возможные причины: разрыв цепи обратной связи; блок питания перегружен по току; неисправны фильтровые конденсаторы на выходе.
Поиск проблемы: осмотр платы, поиск видимых внешних повреждений; измерение мультиметром напряжения питания микросхемы, напряжения на ключах (на затворах и на выходе), на выходных емкостях.
В режиме омметра мультиметром надо измерить нагрузку стабилизатора, сравнить с типовым значением для аналогичных схем.
Импульсный модулятор не стартует
Возможные причины: наличие запрещающего сигнала на соответствующем входе. Информацию следует искать в даташите соответствующей микросхемы. Неисправность может быть в цепи питания ШИМ контроллера, возможно внутренне повреждение в самой микросхеме.
Шаги по определению неисправности: наружный осмотр платы, визуальный поиск механических и электрических повреждений.
Для проверки мультиметром делают замер напряжений на ножках микросхемы и проверку их соответствия с данными в даташит, в случае необходимости, надо заменить ШИМ контроллер.
Проблемы с напряжением
Выходное напряжение существенно отличается от номинальной величины. Это может происходить по следующим причинам: разрыв или изменение сопротивления в цепи обратной связи; неисправность внутри контроллера.
Поиск неисправности: визуальное обследование схемы; проверка уровней управляющих и выходных напряжений и сверка их значений с даташит.
Если входные параметры в норме, а выход не соответствует номинальному значению – замена ШИМ контроллера.
Отключение блока питания защитой
При запуске широтно-импульсного модулятора, блок питания отключается защитой. При проверке ключевых транзисторов короткое замыкание не обнаруживается.
Такие симптомы могут свидетельствовать о неисправности ШИМ контроллера или драйвера ключей. В этом случае нужно произвести замер сопротивлений между затвором и истоком ключей в каждой фазе.
Заниженное значение сопротивления может указывать на неисправность драйвера. При необходимости делается замена драйверов.
Источник: https://EvoSnab.ru/instrument/test/proverka-shim-kontrollera
Управление силовыми ключами MOSFET и IGBT
by Radiolomator · 09.02.2015
Раз уж на нашем сайте появились статьи о ШИМ и регулировании мощности нагрузки с помощью микроконтроллеров, то нельзя обойти стороной тему об управлении силовыми ключами. Именно силовые ключи (транзисторы) являются финальным звеном в схеме регулирования мощности нагрузки, примеры схем приведены в статьях об электроприводе постоянного тока.
В настоящее время в качестве силовых ключей большой и средней мощности применяются в основном MOSFET и IGBT транзисторы. Если рассматривать эти транзисторы как нагрузку для схемы их управления, то они представляют собой конденсаторы с ёмкостью в тысячи пикофарад. Для открытия транзистора, эту ёмкость необходимо зарядить, а при закрывании – разрядить, и как можно быстрее.
Сделать это нужно не только для того, чтобы ваш транзистор успевал работать на высоких частотах. Чем выше напряжение на затворе транзистора, тем меньше сопротивления канала у MOSFET или меньше напряжение насыщения коллектор-эмиттер у IGBT транзисторов.
Пороговое значение напряжения открытия транзисторов обычно составляет 2 – 4 вольта, а максимальное при котором транзистор полностью открыт 10-15 вольт. Поэтому следует подавать напряжение 10-15 вольт.
Но даже в таком случае ёмкость затвора заряжается не сразу и какое-то время транзистор работает на нелинейном участке своей характеристики с большим сопротивлением канала, что приводит к большому падению напряжения на транзисторе и его чрезмерному нагреву. Это так называемое проявление эффекта Миллера.
Для того чтобы ёмкость затвора быстро зарядилась и транзистор открылся, необходимо чтобы ваша схема управления могла обеспечить как можно больший ток заряда транзистора. Ёмкость затвора транзистора можно узнать из паспортных данных на изделие и при расчете следует принять Свх = Сiss.
Для примера возьмём MOSFET – транзистор IRF740. Он обладает следующими интересующими нас характеристиками:
Время открытия (Rise Time — Tr) = 27 (нс)
Время закрытия (Fall Time — Tf) = 24 (нс)
Входная ёмкость (Input Capacitance — Сiss) = 1400 (пФ)
Максимальный ток открытия транзистора рассчитаем как:
Максимальный ток закрытия транзистора определим по тому же принципу:
Так как, обычно мы используем для питания схемы управления 12 вольт, то токоограничивающий резистор определим используя закон Ома.
То есть, резистор Rg=20 Ом, согласно стандартному ряду Е24.
Заметьте, что управлять таким транзистором напрямую от контроллера не получится, введу того, что максимальное напряжение, которое может обеспечить контроллер, будет в пределах 5 вольт, а максимальный ток в пределах 50 мА.
Выход контроллера будет перегружен, а на транзисторе будет проявляться эффект Миллера, и ваша схема очень быстро выйдет из строя, так как кто-то, или контроллер, или транзистор, перегреются раньше. Поэтому необходимо правильно подобрать драйвер.
Драйвер представляет собой усилитель мощности импульсов и предназначен для управления силовыми ключами. Драйверы бывают верхнего и нижнего ключей в отдельности, либо объединенные в один корпус в драйвер верхнего и нижнего ключа, например, такие как IR2110 или IR2113.
Исходя из информации изложенной выше, нам необходимо подобрать драйвер, способный поддерживать ток затвора транзистора Ig = 622 мА.
Таким образом, нам подойдёт драйвер IR2011 способный поддерживать ток затвора Ig = 1000 мА.
Так же необходимо учесть максимальное напряжение нагрузки, которое будут коммутировать ключи. В данном случае оно равно 200 вольт.
Следующим, очень важным параметром является скорость запирания. Это позволяет устранить протекание сквозных токов в двухтактных схемах, изображенной на рисунке ниже, вызывающие потери и перегрев.
Если вы внимательно читали начало статьи, то по паспортным данным транзистора видно, что время закрытия должно быть меньше времени открытия и соответственно ток запирания выше тока открытия If>Ir.
Обеспечить больший ток закрытия, можно уменьшив сопротивление Rg, но тогда также увеличится и ток открытия, это повлияет на величину коммутационного всплеска напряжения при выключении, зависящего от скорости спада тока di/dt.
С этой точки зрения повышение скорости коммутации является в большей степени негативным фактором, снижающим надежность работы устройства.
В таком случае воспользуемся замечательным свойством полупроводников, пропускать ток в одном направлении, и установим в цепи затвора диод, который будет пропускать ток запирания транзистора If.
Таким образом, отпирающий ток Ir будет протекать через резистор R1, а запирающий ток If — через диод VD1, а так как сопротивление p – n перехода диода намного меньше, чем сопротивление резистора R1, то и If>Ir. Для того чтобы ток запирания не превышал своего значения, последовательно с диодом включим резистор, сопротивление которого определим пренебрегая сопротивлением диода в открытом состоянии.
Возьмем ближайший меньший из стандартного ряда Е24 R2=16 Ом.
Теперь рассмотрим, что же обозначает название драйвера верхнего и драйвера нижнего ключа. Известно, что MOSFET и IGBT транзисторы управляются напряжением, а именно напряжением заствор-исток (Gate-Source) Ugs.
Что же такое верхний и нижний ключ? На рисунке ниже приведена схема полумоста. Данная схема содержит верхний и нижний ключи, VT1 и VT2 соответственно.
Верхний ключ VT1 подключен стоком к плюсу питания Vcc, а истоком к нагрузке и должен открываться напряжением приложенным относительно истока.
Нижний же ключ, стоком подключается к нагрузке, а истоком к минусу питания (земле), и должен открываться напряжением, приложенным относительно земли.
И если с нижним ключом все предельно ясно, подал на него 12 вольт – он открылся, подал на него 0 вольт — он закрылся, то для верхнего ключа нужна специальная схема, которая будет открывать его относительно напряжения на истоке транзистора.
Такая схема уже реализована внутри драйвера. Все что нам нужно, это добавить к драйверу бустрептную ёмкость С2, которая будет заряжаться напряжением питания драйвера, но относительно истока транзистора, как это изображено на рисунке ниже.
Именно этим напряжением и будет отпираться верхний ключ.
Данная схема вполне работоспособна, но использование бустрептной ёмкости позволяет ей работать в узких диапазонах.
Эта ёмкость заряжается, когда открыт нижний транзистор и не может быть слишком большой, если схема должна работать на высоких частотах, и так же не может быть слишком маленькой при работе на низких частотах.
То есть при таком исполнении мы не можем держать верхний ключ бесконечно открытым, он закроется сразу после того как разрядится конденсатор С2, если же использовать ёмкость побольше, то она может не успеть перезарядится к следующему периоду работы транзистора.
Мы не раз сталкивались с данной проблемой и очень часто приходилось экспериментировать с подбором бустрептной ёмкости при изменении частоты коммутации или алгоритма работы схемы. Проблему решили со временем и очень просто, самым надежным и «почти» дешевым способом. Изучая Technical Reference к DMC1500, нас заинтересовало назначение разъёма Р8.
Почитав внимательно мануал и хорошо разобравшись в схеме всего привода, оказалось, что это разъём для подключения отдельного, гальванически развязанного питания. Минус источника питания мы подключаем к истоку верхнего ключа, а плюс ко входу драйвера Vb и плюсовой ножке бустрептной ёмкости.
Таким образом, конденсатор постоянно заряжается, за счет чего появляется возможность держать верхний ключ открытым на столько долго, на сколько это необходимо, не зависимо от состояния нижнего ключа. Данное дополнение схемы позволяетреализовать любой алгоритм коммутации ключей.
В качестве источника питания для заряда бустрептной ёмкости можно использовать как обычный трансформатор с выпрямителем и фильтром, так и DC-DC конвертер.
Источник: http://redblot.ru/archives/563
Импульсный стабилизатор с регулировкой по напряжению
Данная схема представляет собой понижающий регулятор с возможностью регулировки и защиты или ограничения тока. Особенностью устройства является применение в силовой части биполярного транзистора со статической индукцией (БСИТ) и микросхемы TL494 с двумя операционными усилителями. ОУ используются в цепи обратной отрицательной связи регулятора, обеспечивая оптимальный режим работы.
Рабочие параметры регулятора:
- номинальное питающее напряжение – 40…45В;
- диапазон регулируемого напряжения на выходе – 1…30В;
- частота ШИМ – регулятора – 40 кГц;
- сопротивление выходной цепи регулятора – 0,01Ом;
- длительный максимальный ток на выходе – 8А.
Схема стабилизатора представлена на рисунке 1. Сглаживающий фильтр из конденсаторов С16-18, накопительная индуктивность L1, диод – разрядник VD6, ключ VT1 составляют силовую цепь устройства.
Построение силовой цепи классическое, отличием являются дополнительные элементы C5, VDD1, R7, VT2, предназначенные для обеспечения безопасной работы силового ключа (VT1).Трансформатор Т2 позволяет снизить скорость возрастания тока при открытии ключа VT1.
Накопленная при закрытии ключа энергия уходит на вход схемы через правую часть диодной сборки VD1. Емкость С5 предназначена для снижения скорости нарастания напряжения на ключе.
Установка элементов цепи ОБР оптимизирует режим работы ключевого транзистора, снижая тепловые потери и ударные нагрузки. Защиту ключа VT1 от воздействия обратного тока через цепь С5Т2 обеспечивает расположенный слева диод VD1.
Рисунок 1
Управляющий сигнал на затвор ключа поступает через разделительный трансформатор Т1, первичная обмотка которого включена в цепь коллектора транзистора Т2.
Элементы R1, VD2, VD3 предназначены для ограничения всплесков обратного напряжения затвора ключа. Эмиттер VT2 через ограничительный резистор R8 подключен к выводам 8 и 10 микросхемы DA1 (коллекторы выходных транзисторов).
Ограничительный резистор позволяет подобрать оптимальную величину тока затвора ключа VT1.
Управление работой схемы выполнено на специально предназначенной микросхеме TL494. Принцип подключения классический, выводы 7 и 13 соединены, однотактный режим. Для возможности работать с минимальным напряжением, на выводе 2 задано делителем опорное напряжение примерно 0,9В.
Напряжение на 4 ножке определяет максимальную величину скважности вырабатываемых импульсов. Амплитудно — частотная характеристика контура корректируется время задающими цепочками C12R14, C11R13. Частота генерации задается цепочкой C14R21.
Отрицательная обратная связь по напряжению устанавливается элементами VD8, R20, R25, R24. Напряжение на выходе стабилизатора устанавливается переменным сопротивлением R24. Контроль по силе тока выполняется по падению напряжения на резисторах R5, R4, установленных параллельно.
Сигнал с них поступает на 2-ой операционный усилитель управляющей микросхемы (контакты16,15). Ограничение максимального тока на выходе устройства настраивается сопротивлением R19.
ОУ микросхемы DA2 предназначен для защиты устройства при выходном токе, превышающим максимально допустимый. Входы ОУ DA1 и ОУ DA2 подключены к датчику тока на резисторах R5,R4.
При повышении падения напряжения на датчике на выходе компаратора появится высокое напряжение.
Через замкнутый контакт SA1 образуется цепочка обратной положительной связи, высокое напряжение будет поддерживать в этом состоянии ОУ DA2 и заблокирует работу DA1 через вход 16.
Переключатель SA1 в разомкнутом состоянии обеспечивает работу устройства с ограничением максимального тока. Светодиод HL1 загорается при отключении нагрузки или при ограничении тока.
Питание управляющей части схемы обеспечивает стабилизирующая цепочка из элементов C6-10, C4,C3, R3,R2, VD5, VD4, VT2.
Устройство собрано на плате из стеклотекстолита с фольгой на одной стороне. Выносные детали:
- выключатель SA1;
- светодиод HL1;
- регулятор напряжения
Все дорожки, предназначенные для силовой части схемы, следует дополнительно усилить медным проводом сечением не менее 1мм2. Детали можно использовать российского производства или их зарубежные аналоги. Площадь теплоотвода для ключевого транзистора и диодной сборки VD1 не менее 370 см2, для VD6 – не менее130см2.
Печатная плата имульсного стабилизатора напряжения
Скачать печатную плату
На этом все, если будут замечания и предложения пишите мне. Успехов!
Источник: https://electrongrad.ru/2017/03/08/impstab/
ШИМ, драйверы, светодиоды — DRIVE2
Ух давненько ничего не публиковал. Не потому что нечего, а вопреки.
Приветствую всех гостей и подписчиков, предлагаю разобраться наконец в вопросе как-же у нас регулируется яркость светодиодов, что такое ШИМ и как это все работает с импульсными драйверами светодиодов.
Материал ориентирован скорее на начинающих и тех, у кого познания в электронике нулевые, а руки чешутся сделать тюнинг на свою любимую машинку, но будет полезен и искушенным.
Давайте разбираться, как-же мы можем регулировать яркость светодиодов? Тут варианта два:1) линейная регулировка тока (напряжения)
2) ШИМ регулирование
Первый вариант — это всем известная схема включения с одним резистором и одним светодиодом.
Тут все просто: при использовании одного какого-то типа светодиодов, яркость зависит лишь от тока, протекающего по нему, который, в свою очередь, зависит от питающего напряжения и сопротивления ограничительного резистора.
Не сочтите за рекламу, а токмо чтобы вопросов было поменьше: калькулятор расчета резистора для светодиодов
Частным случаем является использование драйверов, как линейных, так и импульсных.
Это стабилизаторы тока При любом допустимом изменении питающего напряжения и температурного дрейфа параметров кристалла светодиода они призваны обеспечить стабильный ток питания светодиода, что безусловно благоприятно на нем сказывается.
Вообще питание светодиода драйверами (стабилизаторами тока) является единственно верным решением. Регулируя ток светодиода регулируем и его яркость. Но к ним мы вернемся чуть позже.
С ШИМ уже не все так очевидно.Чтож это за зверь? Кто еще не в курсе — это широтно импульсная модуляция. Сигнал ШИМ позволяет регулировать параметры объекта, на который он воздействует. В нашем случае при питании светодиода ШИМ сигналом мы имеем возможность регулировки его яркости.
Как? Очень просто. ШИМ сигнал — это чередование импульсов и пауз. То есть на светодиод то приходит напряжение, то нет. Если импульсы будут повторяться с довольно высокой частотой (от 24 импульсов в секунду), благодаря инерционности зрения мы не будем видеть пауз в свечении светодиода.
И яркость его свечения будет определяться продолжительностью свечения или длительностью импульса питания по отношению к паузе. Если поделить время работы на время периода (длительность работы + длительность паузы) получим относительную величину, показывающую какой процент мощности от максимума подано на светодиод.
И называется она скважность.
На иллюстрации видим желтый сигнал ШИМ, питающий светодиод. Синий график — эквивалентная мощность в нагрузке (светодиоде). Всё, что такое ШИМ разобрались. Едем дальше.
ШИМ сигналом можно питать светодиод равно как и без него. То есть по схеме со стабилизатором тока или с токоограничивающим резистором.
Не считая отдельных исключений с импульсными драйверами, все эти методы позволят в сочетании с ШИМ получить желанную возможность выкрутить яркость светодиода от нуля до максимума.
И если с линейными регуляторами все более менее ясно — подключай резистор со светодиодом на ШИМ и будет тебе счастье, то с импульсными стабилизаторами не все так гладко.
Сабж, ставший первопричиной появления этого поста и ролика на youtube.
Имеем пользующиеся народной любовью импульсные драйвера светодиодов с Алиэкспресс, светодиоды оттуда-же, плату контроллера динамических поворотников, все это собираем в кучу и радуемся. Или нет?
А вот тут все будет зависеть от того что за драйвера и светодиоды и насколько сэкономил на надежности ваш продавец плат динамических поворотников.
Грубо говоря, цепляете вы ваши светодиоды к драйверам, их к платам контроллеров, запускаете и ладно если еще не установили все в фару и на автомобиль, а тестируете “на коленке”.
С неприятностью обнаруживаете что ваш контроллер динамических поворотников разогрелся как из ада и возможно даже испустил дух со спецэффектами, которые вы не оплачивали. Обидно однако.
В чем-же дело? автор плат уверяет, что все платы прошли контроль и на 100% исправны, мощность светодиодов не превышает заложенный в девайс потенциал, но на выходе имеем то что имеем.
Китайцы виноваты или автор плат? Или сам где-то напорол?
Нет. Никто не виноват, да, бывает и так.
Просто максимальная нагрузка для плат и комбинация импульсных драйверов с мощными светодиодами оказались несогласованными одно с другим.
Виной тут схемотехника самих драйверов. Все за редким исключением они имеют довольно емкий выходной конденсатор (а некоторые и входной), который начинает заряжаться при подаче на драйвер напряжения т.е. при появлении импульса ШИМ.
Как известно (но не всем, разумеется) из курса физики, разряженный конденсатор при подаче на него напряжения является практически полным коротким замыканием в цепи.
И по мере принятия заряда его сопротивление и напряжение на нем растут, а ток в цепи напротив — уменьшается.
Рассмотрим этот процесс подробнее.
Поворотник отключен, контроллер не дает на выход ШИМ сигнал. Конденсатор драйвера разряжен, светодиод не светится.
Включили поворотник, контроллер выдал ШИМ на драйвер, пусть 50% скважность. Вот тут мы и получили мощный бросок тока, заряжающего конденсатор и питающего светодиод. Как там транзисторы контроллера? выжили, ну ничего, это был лишь первый импульс…
Далее конденсатор зарядился и ток питания драйвера, он-же ток нагрузки контроллера динамических поворотов, нормализовался до адекватных рабочих значений.
Но вот приходит через паузы ШИМ. Светодиод продолжает гореть за счет подпитки от конденсатора. По этой-же самой причине может иметь место отсутствие регулировки яркости светодиодов при больших значениях скважности ШИМ из-за большой емкости конденсатора, малой мощности светодиода, слишком высокой частоте ШИМ (короткие паузы между импульсами).
Далее приходит новый импульс и процесс повторяется. Но тут есть вариант, что конденсатор не успеет разрядиться полностью и ток его зарядки будет ниже.
И так далее.
Резюмируем. Установленные в импульсных драйверах конденсаторы при заряде дают весьма не хилый бросок тока в цепи ШИМ сигнала, что может привести к весьма печальным последствиям.
Надеюсь, доступно на пальцах объяснил причины возможного выхода из строя управляющих контроллеров при регулировке яркости светодиодов, запитанных через импульсные драйвера.
Теорию подтвердил практикой с совершенно конкретными устройствами, живущими долго и счастливо уже много у кого.
Источник: https://www.drive2.ru/b/498569150642258084/
Регуляторы напряжения для питания современных процессоров семейства Intel Pentium и процессоров AMD
Микропроцессоры являются самыми мощными потребителями энергии в современных компьютерах. Ток потребления современного микропроцессора может достигать величины нескольких десятков ампер.
При этом качество питающего напряжения микропроцессора является важнейшим фактором, определяющим стабильность работы всей системы.
О том, как производители системных плат решают проблему обеспечения микропроцессора мощным и качественным питанием, рассказывается в статье, предлагаемой вашему вниманию.
Преамбула
Тактовая частота микропроцессоров неуклонно растет и достигает сейчас уже нескольких ГГц. Повышение тактовой частоты микропроцессора сопровождается значительным увеличением потребляемой им мощности, а, соответственно, приводит и к увеличению температуры кристалла процессора.
Кроме того, на энергопотребление микропроцессоров оказывает влияние и повышение количества транзисторов на его кристалле (чем современнее процессор, тем более высокой степенью интеграции он обладает).
Хотя КМОП-транзисторы, составляющие основу микропроцессоров, потребляют в закрытом состоянии мизерные токи, но когда речь идет уже о нескольких миллионах транзисторов, расположенных на кристалле процессора, то пренебрегать этим уже не приходится.
Основное потребление энергии КМОП-транзисторы осуществляют в момент его включения, и, естественно, что чем чаще транзисторы переключаются, тем большее количество энергии они потребляют.
В результате, миллионы транзисторов, переключающихся с высокой частотой, способны обеспечить потребление микропроцессором такого тока, величина которого уже доходит до 50 и более Ампер. Таким образом, кристалл процессора начинает сильно разогреваться, что приводит к значительному ухудшению процессов переключения транзисторов и способно вывести их из строя. При этом решить проблему исключительно путем теплоотвода не удается.
Все это вынуждает производителей снижать питающее напряжение микропроцессоров, точнее, напряжение питания его ядра. Снижение питающего напряжения способно решить проблему мощности, рассеиваемой на кристалле микропроцессора и понизить его температуру.
Если самые первые микропроцессоры семейства 80×86 имели питающее напряжение +5В (а впервые снижение напряжения до +3.3В было применено в I80486), то микропроцессоры последних поколений уже могут работать при питающем напряжении +0.5В (см.
спецификацию VR11 от Intel).
Но дело в том, что такие низкие напряжения не вырабатываются системным источником питания. Напомним, что на его выходе формируются лишь напряжения +3.3V, +5V и +12V. Таким образом, на системной плате должен появиться собственный регулятор напряжения, способный понизить эти «высоковольтные» напряжения до уровня, необходимого для питания ядра процессора, т.е. до величины 0.5 – 1.6 В (рис.1).
Рис.1
Так как этот регулятор обеспечивает преобразование постоянного напряжения +12В в постоянное напряжение, но меньшего номинала, то регулятор получил название DC-DC Converter (преобразователь постоянного тока в постоянный ток).
Хочется обратить внимание всех специалистов, что напряжение ядра процессора вырабатывается сейчас из напряжения +12V, а не из +5V или +3.3V, как это могло бы показаться более логичным.
Дело в том, что напряжение канала +12V является наибольшим, и поэтому в нем можно создать значительно большую мощность при меньшем значении тока. Таким образом, в современных вычислительных системах важнейшим напряжением становится +12V, и именно в этом канале текут наибольшие токи.
Это, кстати сказать, нашло отражение и в стандартах, описывающих требования к системным блокам питания, в соответствии с которыми, нагрузочная способность канала +12V является максимальной.
Кроме того, на выходе блока питания должно быть два канала напряжения +12В (+12V1 и +12V2), причем контроль тока в каждом из этих каналов должен осуществляться независимо. Один из этих каналов, а именно +12V2, предназначен, как раз, для питания ядра процессора, и к нему предъявляются самые жесткие требования по стабильности и самые малые допуски на отклонения от номинального значения.
Необходимо отметить еще и следующий момент. Так как мощность, потребляемая процессорами, является достаточно большой (может достигать почти 100 Вт), то преобразование напряжения необходимо осуществлять импульсным методом.
Линейное преобразование не способно обеспечить достаточно высокий КПД на такой мощности, и будет приводить к значительным потерям, а следовательно, и к нагреву элементов преобразователя. На сегодняшний день только импульсное преобразование позволяет получить эффективный и экономичный источник питания с небольшими габаритами и с приемлемой стоимостью исполнения.
Таким образом, на системной плате находится DC-DC Converter, являющийся импульсным преобразователем понижающего типа (Step Down или Trim).
DC-DC Converter понижающего типа
Базовая схема понижающего преобразователя постоянного тока представлена на рис.2. Хочется отметить, что регуляторы такого типа в современной импортной литературе получили название Buck Converter или Buck Regulator. Транзистор Q1 в этой схеме является ключом, который, замыкаясь/размыкаясь, создает из постоянного напряжения импульсное напряжение.
Рис.2
При этом амплитуда формируемых импульсов равна 12В. Для повышения эффективности преобразования, Q1 должен переключаться с высокой частотой (чем выше частота, тем эффективнее преобразование). В реальных схемах регуляторов системных плат частота переключения транзисторов преобразователя может находиться в диапазоне от 80 кГц до 2 МГц.
Далее, полученное импульсное напряжение сглаживается дросселем L1 и электролитическим конденсатором C1. В результате, на C1создается постоянное напряжение, но меньшей величины. При этом величина созданного постоянного напряжения будет пропорциональна ширине импульсов, полученных на выходе Q1.
Если транзистор Q1 открывается на большее время, то энергия, накопленная на L1, также будет больше, что, в итоге, приводит к повышению напряжения на C1. Соответственно, и, наоборот – при меньшей длительности открытого состояния транзистора Q1 , напряжение на С1 снижается.
Этот метод регулирования постоянного напряжения получил название широтно-импульсная модуляция – ШИМ (PWM – Pulse Width Modulation).
Очень важным элементом схемы является диод D1. Этим диодом поддерживается ток нагрузки, создаваемый дросселем L1, в те периоды времени, когда транзистор Q1 закрыт.
Другими словами, при открытом Q1, ток дросселя и ток нагрузки обеспечивается источником питания, а в дросселе при этом накапливается энергия. После закрывания транзистора Q1, ток нагрузки поддерживается за счет энергии, накопленной на дросселе.
Этот ток протекает через D1, т.е. энергия дросселя расходуется на поддержание тока нагрузки (см. рис.3).
Рис.3
Однако в практических схемах понижающих регуляторов, формирующих мощные токи, возникают некоторые проблемы. Дело в том, что большинство диодов не обладает достаточным быстродействием, а также имеют относительно большое сопротивление открытого p-n перехода. Все это не имеет решающего значения при малых токах нагрузки.
А вот при больших токах, все это приводит к значительным потерям, сильному разогреву диода D1, всплескам напряжения и к возникновению обратных токов через диод при переключениях транзистора Q1.
Именно поэтому данная схема была доработана с целью повышения быстродействия и снижения потерь, в результате чего вместо диода D1 стали использовать еще один транзистор – Q2 (рис.4).
Рис.4
Транзистор Q2, являясь МОП-транзистором, имеет очень малое сопротивление открытого канала и обладает высоким быстродействием. Так как Q2 выполняет функцию диода, то он работает синхронно с Q1, но строго в противофазе, т.е. в момент запирания Q1, транзистор Q2 открывается, и, наоборот, при открытом Q1, транзистор Q2 – закрыт (см. рис.5).
Рис.5
Именно такое решение и является единственно возможным для организации преобразователей напряжения современных системных плат, где, как мы уже говорили, требуются очень большие токи для питания процессора.
Закончив обзор базовых технологий организации импульсных регуляторов напряжения, переходим к рассмотрению практических схем их реализации.
Основы организации регуляторов напряжений ядра процессора
Сразу стоит оговориться, что уже достаточно давно производители элементной базы начали выпуск специализированных микросхем, предназначенных для построения импульсных регуляторов напряжения системных плат персональных компьютеров.
Применение подобных специализированных микросхем позволяет улучшить характеристики регуляторов, обеспечить их высокую компактность и снизить стоимость, как самих регуляторов, так и стоимость их разработки.
На сегодняшний день можно выделить три типа микросхем, использующихся в регуляторах напряжения системных плат, предназначенных для питания ядра процессора:
– основной контроллер (Main Controller), который называют еще, как ШИМ-контроллером (PWM-Controller) или регулятором напряжения (Voltage Regulator);
– драйвер управления МОП-транзисторами (Synchronous-Rectifier MOSFET Driver);
– комбинированный контроллер, совмещающий в себе функции и ШИМ-контроллера, и драйвера МОП-транзисторов.
С учетом разновидности используемых микросхем, в современных системных платах мы можем встретить два основных варианта построения импульсных регуляторов напряжения для питания ядра процессора.
I вариант. Этот вариант характерен для применения в системных платах начального уровня, отличающихся невысокой производительностью, т.е.
он, чаще всего, применяется на системных платах, в которых не предусмотрено использование высокопроизводительных и мощных процессоров.
В этом варианте управление силовыми транзисторами преобразователя осуществляется микросхемой комбинированного контроллера. Эта микросхема обеспечивает выполнение следующих функций:
– считывание состояния сигналов идентификации питающего напряжения процессора (VIDn);
– формирование ШИМ-сигналов для синхронного управления силовыми МОП-транзисторами;
– контроль величины формируемого напряжения питания;
– осуществление токовой защиты силовых МОП-транзисторов;
– формирование сигнала, подтверждающего правильную работу регулятора и наличие на его выходе корректного напряжения для питания ядра процессора (сигнал PGOOD).
Пример такого варианта регулятора напряжения представлен на рис.6. В этом случае, как мы видим, силовые транзисторы непосредственно подключены к выходам микросхемы комбинированного контроллера. В качестве такого контроллера достаточно часто использовалась микросхема HIP6004.
Рис.6
II вариант. Этот вариант характерен для системных плат, предназначенных для работы с высокопроизводительными процессорами. Так как высокопроизводительный процессор подразумевает потребление больших токов, то регулятор напряжения делают многоканальным (рис.7).
Рис.7
Наличие нескольких каналов позволяет уменьшить величину тока каждого канала, т.е. уменьшить токи, коммутируемые МОП-транзисторами. Это, в свою очередь, повышает надежность всей схемы и позволяет использовать менее мощные транзисторы, что положительно сказывается на стоимости, как самого регулятора, так и системной платы в целом.
Данный вариант регулятора характеризуется использованием двух типов микросхем: главного ШИМ-контроллера и драйверов МОП-транзисторов. Синхронное управление МОП-транзисторами осуществляется драйверами, каждый из которых может управлять как одной, так и двумя парами транзисторов.
Драйвер обеспечивает противофазное переключение транзисторов в соответствии с входным сигналом (чаще всего обозначается PWM), который определяет частоту переключения и время открытого состояния транзисторов.
Количество микросхем драйверов соответствует количеству каналов импульсного регулятора.
Управления всеми драйверами, осуществляет главный контроллер (Main Controller), к основным функциям которого можно отнести:
– формирование импульсов для управления драйверами МОП-транзисторов;
– изменение ширины этих управляющих импульсов с целью стабилизации выходного напряжения регулятора;
– контроль величины выходного напряжения регулятора;
– обеспечение токовой защиты МОП-транзисторов;
– считывание состояния сигналов идентификации питающего напряжения процессора (VIDn).
Кроме этих функций, могут выполняться и другие, вспомогательные функции, наличие которых будет определяться типом используемого главного контроллера.
Общая схема подобного регулятора напряжения представлена на рис.8. Большинство современных главных контроллеров являются 4-х канальными, т.е. имеют 4 выходных сигнала PWM для управления транзисторными драйверами.
Рис.8
Итак, на текущий момент времени, регуляторы напряжения для ядра процессора могут быть 2-х канальными, 3-х канальными и 4-х канальными.
Пример реализации 2-х канального регулятора представлен на рис.9. Этот регулятор построен с использованием микросхемы Main Controller типа HIP6301, который, в принципе является четырехканальным, но два канала остались незадействованными.
Рис.9
В качестве драйверов ключей в данной схеме использованы микросхемы HIP6601B.
Пример реализации 4-х канального регулятора с использованием того же самого Main Controller'а представлен на рис.10.
Рис.10
Контроллер HIP6301 декодирует напряжение ядра процессора с учетом 5-разрядного идентификационного кода (VID0 – VID4) и формирует выходные ШИМ-импульсы с частотой до 1.5 МГц. Кроме того, им формируется сигнал PGOOD (хорошее питание) в том случае, если напряжение ядра процессора, сформированное регулятором напряжения, соответствует значению, заданному с помощью сигналов VIDn.
Особенности многоканальных регуляторов
При использовании многоканальных регуляторов напряжения можно отметить несколько проблем, которые приходится решать разработчикам системных плат. Дело в том, что каждый канал представляет собой импульсный регулятор, который, переключаясь с высокой частотой, создает на своем выходе импульсы тока.
Эти импульсы, естественно, должны сглаживаться, и для этого используются электролитические конденсаторы и дроссели.
Но дело в том, что из-за большой токовой нагрузки, емкости конденсаторов и индуктивности дросселей, все-таки, не хватает для создания действительно постоянного напряжения, в результате чего, на шине питания процессора наблюдаются пульсации (рис.11).
Причем от этих пульсаций не спасает ни увеличение количества конденсаторов, ни увеличение емкости конденсаторов и индуктивности дросселей, ни увеличение частоты преобразования (если только не говорить об увеличении частоты в несколько раз). Естественно, что эти пульсации способны привести к нестабильной работе процессора.
Рис.11
Выход из проблемы, как раз, найден в использовании многоканальной архитектуры регулятора напряжения. Но только лишь использованием нескольких параллельных каналов решить проблему, все равно, не удастся. Необходимо сделать так, чтобы ключи разных каналов переключались с фазовым смещением, т.е. они должны открываться поочередно.
Это позволит сделать так, что каждый канал будет поддерживать выходной ток регулятора в строго отведенный период времени. Другими словами, сглаживающие конденсаторы будут подзаряжаться постоянно, но от разных каналов в разные моменты времени.
Так, например, при использовании 4-х канального регулятора, выходные конденсаторы подзаряжаются четыре раза за один тактовый период контроллера, т.е. импульсные токи отдельных каналов смещены по фазе друг относительно друга на 90° (см. рис.12).
Это соответствует увеличению частоты преобразования в 4 раза, и если частота переключения транзисторов каждого канала равна 0.5 МГц, то частота импульсов на сглаживающем конденсаторе будет составлять уже 2 МГц.
Рис.12
Таким образом, ШИМ-импульсы, которые формируются на выходе микросхемы главного контроллера (выходные сигналы PWM), должны следовать с определенным фазовым смещением и это фазовое смещение определяется внутренней архитектурой микросхемы и задается, как правило, уже на этапе проектирования микросхемы. Но некоторые контроллеры позволяют конфигурировать их под разные режимы работы: 2-фазное, 3-фазное или 4-фазное управление (о том, как это делается можно узнать в описаниях на сами контроллеры).
Источник: http://www.mirpu.ru/motherboard/81-2011-02-12-20-10-05/153–
Загрузка...
