Блок питания ASIC переходит под защиту

Обновлено: 05.07.2024

Защита блока питания от перенапряжения действительно полезна — некоторые отказы блока питания могут привести к повреждению оборудования высоким напряжением. Защита от перенапряжения предотвращает это как на линейных стабилизаторах, так и на импульсных источниках питания.

Хотя современные блоки питания сейчас очень надежны, всегда есть небольшая, но реальная вероятность того, что они могут выйти из строя.

Они могут выйти из строя по разным причинам, и одна особенно тревожная возможность заключается в том, что элемент последовательного прохода, то есть основной проходной транзистор или полевой транзистор, может выйти из строя таким образом, что произойдет короткое замыкание. Если это произойдет, в цепи, на которую подается питание, может появиться очень большое напряжение, часто называемое перенапряжением, что приведет к катастрофическому повреждению всего оборудования.

Добавив небольшую дополнительную схему защиты в виде защиты от перенапряжения, можно защититься от этой маловероятной, но катастрофической возможности.

Большинство источников питания, предназначенных для очень надежной работы дорогостоящего оборудования, имеют некоторую форму защиты от перенапряжения, чтобы гарантировать, что любой сбой источника питания не приведет к повреждению оборудования, на которое подается питание. Это относится как к линейным источникам питания, так и к импульсным источникам питания.

Некоторые блоки питания могут не иметь защиты от перенапряжения, и их не следует использовать для питания дорогостоящего оборудования. Можно разработать небольшую схему электронной схемы, разработать небольшую схему защиты от перенапряжения и добавить ее в качестве дополнительной меры. дополнительный элемент.

Основы защиты от перенапряжения

Существует множество причин, по которым блок питания может выйти из строя. Однако, чтобы немного больше понять защиту от перенапряжения и проблемы схемы, легко взять простой пример линейного регулятора напряжения, использующего очень простой стабилитрон и транзистор с последовательным проходом.

Базовый серийный стабилизатор с использованием стабилитрона и эмиттерного повторителя

Хотя более сложные источники обеспечивают лучшую производительность, в них также используется последовательный транзистор для пропуска выходного тока. Основное отличие заключается в способе подачи напряжения регулятора на базу транзистора.

Обычно входное напряжение таково, что на последовательном элементе регулятора напряжения падает несколько вольт. Это позволяет последовательному транзистору адекватно регулировать выходное напряжение. Часто падение напряжения на последовательном проходном транзисторе относительно велико — при напряжении питания 12 вольт входное напряжение может составлять 18 вольт или даже больше, чтобы обеспечить требуемую стабилизацию, подавление пульсаций и т. д.

Это означает, что в элементе регулятора напряжения может рассеиваться значительный уровень тепла, а в сочетании с любыми переходными выбросами, которые могут появиться на входе, это означает, что всегда существует вероятность отказа.

Транзисторное последовательное проходное устройство чаще выходит из строя в условиях разомкнутой цепи, но при некоторых обстоятельствах транзистор может вызвать короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Если это произойдет, то на выходе регулятора напряжения появится полное нестабилизированное входное напряжение.

Если бы на выходе появилось полное напряжение, то оно могло бы вывести из строя многие микросхемы, находящиеся в питаемой цепи. В этом случае ремонт цепи может оказаться нерентабельным.

Способы работы импульсных стабилизаторов очень разные, но бывают обстоятельства, при которых на выходе источника питания может появиться полная мощность.

Как для источников питания с линейной стабилизацией, так и для импульсных источников питания всегда рекомендуется какая-либо форма защиты от перенапряжения.

Типы защиты от перенапряжения

Как и во многих электронных технологиях, существует несколько способов реализации конкретной возможности. Это верно для защиты от перенапряжения.

Существует несколько различных методов, каждый из которых имеет свои особенности. Производительность, стоимость, сложность и режим работы — все это необходимо взвесить при определении того, какой метод использовать на этапе проектирования электронной схемы.

SCR Crowbar: Как следует из названия, схема лома создает короткое замыкание на выходе источника питания, если возникает состояние перенапряжения. Обычно для этого используются тиристоры, то есть тиристоры, поскольку они могут коммутировать большие токи и оставаться включенными до тех пор, пока не рассеется какой-либо заряд. Тиристор может быть соединен обратно с предохранителем, который перегорает и изолирует регулятор от дальнейшего воздействия на него напряжения.

Схема защиты тиристорного ломика от перенапряжения

В этой схеме стабилитрон выбран так, чтобы его напряжение было выше нормального рабочего напряжения на выходе, но ниже напряжения, при котором может произойти повреждение. При такой проводимости через стабилитрон не протекает ток, потому что его напряжение пробоя не достигнуто, а ток в затвор тиристора не течет, и он остается закрытым. Блок питания будет работать нормально.

Если последовательный транзистор в блоке питания выйдет из строя, напряжение начнет расти — развязка в блоке гарантирует, что оно не поднимется мгновенно. По мере его увеличения он будет подниматься выше точки, в которой диод Зенера начинает проводить ток, и ток будет течь в затвор тиристора, вызывая его срабатывание.

Когда тиристор срабатывает, он замыкает выход источника питания на землю, предотвращая повреждение схемы, которую он питает. Это короткое замыкание также может быть использовано для перегорания предохранителя или другого элемента, отключения питания регулятора напряжения и изоляции устройства от дальнейшего повреждения.

Часто между затвором тиристора и землей помещают некоторую развязку в виде небольшого конденсатора, чтобы предотвратить попадание резких переходных процессов или ВЧ от источника питания на соединение затвора и вызвать ложное срабатывание. Однако его не следует делать слишком большим, так как это может замедлить срабатывание схемы в случае реального отказа, а защита может срабатывать слишком медленно.

Примечание по защите от перенапряжения тиристорным ломиком:

Тиристорный или SCR, управляемый кремнием выпрямитель можно использовать для обеспечения защиты от перенапряжения в цепи питания. Обнаружив высокое напряжение, схема может активировать тиристор, чтобы создать короткое замыкание или ломик на шине напряжения, чтобы гарантировать, что напряжение не достигнет высокого уровня.

Фиксация напряжения. Другая очень простая форма защиты от перенапряжения использует подход, называемый фиксацией напряжения. В простейшей форме это может быть обеспечено с помощью стабилитрона, помещенного на выходе регулируемого источника питания. Если напряжение на стабилитроне выбрано немного выше максимального напряжения на шине, в нормальных условиях он не будет проводить ток. Если напряжение поднимется слишком высоко, оно начнет проводить, фиксируя напряжение на уровне, немного превышающем напряжение на шине.

Если для регулируемого источника питания требуется более высокий ток, можно использовать стабилитрон с транзисторным буфером. Это увеличит допустимый ток по сравнению с простой стабилитронной схемой на коэффициент, равный коэффициенту усиления транзистора по току. Поскольку для этой схемы требуется силовой транзистор, вероятные уровни усиления по току будут низкими — возможно, 20–50.

Ограничение напряжения: когда требуется защита от перенапряжения для импульсных источников питания, методы SMPS с зажимом и ломом используются менее широко из-за требований к рассеиваемой мощности, а также возможного размера и стоимости источника питания. компоненты.

К счастью, большинство импульсных регуляторов выходят из строя при низком напряжении. Однако часто целесообразно предусмотреть возможности ограничения напряжения в случае перенапряжения.

Часто этого можно добиться, обнаружив перенапряжение и отключив преобразователь. Это особенно применимо в случае преобразователей постоянного тока. При реализации этого необходимо включить контур считывания, который находится за пределами основного стабилизатора ИС - многие импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока используют микросхему для достижения большей части схемы. Очень важно использовать внешний контур датчика, потому что, если микросхема регулятора режима переключения повреждена, вызывая состояние перенапряжения, механизм датчика также может быть поврежден.

Очевидно, что для этой формы защиты от перенапряжения требуются схемы, специфичные для конкретной схемы, и используемые микросхемы импульсного источника питания.

Все три метода используются и могут обеспечить эффективную защиту от перенапряжения источника питания. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, и выбор метода должен зависеть от конкретной ситуации.

Целью этой статьи является предоставление подробной информации о наиболее важной части системы персонального компьютера (ПК), его блоке питания. Следуйте за нами в этом путешествии по территории PSU, и мы обещаем, что вы получите ценные знания.

Защита блоков питания

Страница 1: Введение
Страница 2: Катушки индуктивности и трансформаторы
Страница 3: Конденсаторы
Страница 4: Текущие пульсации и расчет предельного срока службы
Страница 5. Список производителей конденсаторов
Страница 6: Резисторы, транзисторы и диоды
Страница 7: SMPS в сравнении с. Линейные регуляторы
Страница 8: Описание частей SMPS
Страница 9: Этап фильтрации электромагнитных помех/переходных процессов
Страница 10: Мостовые выпрямители и APFC
Страница 11: Главные переключатели и трансформаторы
Страница 12: Выходные выпрямители и фильтры
Страница 13: Переключение контроллеров и изоляторов
Страница 14: Переключение топологий регуляторов
Страница 15: LLC Resonant Converter
Страница 16: Блоки питания с цифровым управлением
Страница 17: Охлаждение блока питания
Страница 18: Работа вентилятора и типы подшипников
Страница 19: Другие типы подшипников: SSO, Rifle, Hysint
Страница 20. Измерение скорости вращения вентилятора блока питания
Страница 21: Защита блока питания
Страница 22: Мониторинг интегральных схем
Страница 23: Технические характеристики ATX, EPS и 80 PLUS
Страница 24: Ресурсы PSU

Защита блоков питания

В этом разделе мы рассмотрим различные средства защиты, которые имеет блок питания, чтобы избежать вреда не только источнику питания, но и системе, которую он питает энергией. Многие бюджетные блоки питания имеют только те средства защиты, которые требуются спецификацией ATX (OCP, SCP, OVP), в то время как устройства более высокого класса обычно имеют гораздо большую защиту.

Питание в норме или сигнал PWR_OK

Как указано в спецификации ATX, блок питания использует сигнал задержки Power Good или PWR_OK, чтобы указать, что выходы +5 В, +3,3 В и +12 В находятся в пределах пороговых значений регулирования источника питания и что достаточное количество энергии в сети сохраняется за счет преобразователь, чтобы гарантировать непрерывную работу в соответствии со спецификацией в течение не менее 17 мс при полной нагрузке (16 мс для потери переменного тока до времени удержания PWR_OK). Период задержки PWR_OK в соответствии со спецификацией ATX должен быть ниже 500 мс, а в идеале — менее 250 мс. В любом случае оно должно быть равно или больше 100 мс.

(OCP) Защита от перегрузки по току

Защита от перегрузки по току (OCP) – популярная защита, используемая во всех блоках питания с несколькими шинами +12 В, и в большинстве случаев она также защищает второстепенные шины. OCP срабатывает, когда ток в шинах превышает определенный предел. В спецификации ATX 2.2 указано, что если нагрузка на каждой тестируемой выходной шине достигает или превышает 240 ВА, то OCP должен создавать помехи (параграф 3.4.4). Однако в спецификации ATX 2.31 это ограничение отсутствует. Чтобы обойти это, некоторые производители внедрили множество виртуальных шин +12 В, каждая из которых рассчитана на 240 ВА. Однако в большинстве случаев точка срабатывания OCP устанавливалась намного выше, чтобы выдерживать пиковые токи, которые могли потреблять некоторые системные компоненты (например, видеокарты).

Для реализации OCP в блоке питания необходимы две вещи: шунтирующие резисторы и микросхема супервизора, поддерживающая OCP. Шунтирующие резисторы представляют собой высокоточные резисторы с низким сопротивлением, которые используются для измерения тока на выходе блока питания, используя падение напряжения, создаваемое этими токами на резисторах. Измеряя количество шунтов в блоке питания в месте пайки проводов +12 В, мы обычно можем найти реальное количество виртуальных шин +12 В. В некоторых случаях, когда производитель изначально построил блок питания как блок с несколькими шинами +12 В, а затем преобразовал его в блок с одной шиной +12 В, шунтирующие резисторы просто закорочены друг на друга.

OVP/UVP (защита от перенапряжения/понижения напряжения)

В спецификации ATX указано, что схема считывания и эталон защиты от перенапряжения должны находиться в корпусах, которые отделены от схемы управления регулятора и эталона. Таким образом, ни одна точка неисправности не должна вызывать устойчивое перенапряжение на любом выходе. Другими словами, все блоки питания должны иметь независимую схему защиты и не рассчитывать исключительно на ШИМ-контроллер для контроля выходных напряжений. Мы также должны добавить, что UVP является необязательным, поскольку он не упоминается в спецификации ATX.

Как вы, наверное, уже догадались, OVP и UVP постоянно проверяют напряжения на каждой шине и срабатывают, когда эти напряжения превышают или опускаются ниже точки срабатывания. Спецификация ATX содержит таблицу с минимальными, номинальными и максимальными значениями точек срабатывания OVP. Спецификация включает шину 5VSB, хотя в ней указано, что защита OVP на этой шине рекомендуется, но не требуется. Ниже вы найдете соответствующую таблицу.

< th>+3,3 В постоянного тока

Выход	Минимум (В)	Номинал (В)	Максимум (В)
+12 В постоянного тока (или 12V1DC и 12V2DC)	13,4	15	15,6
+5 В постоянного тока	5,74	6,3	7
3,76	4,2	4,3
5VSB (опционально)	5,74	6,3	7

Как видите, триггерные точки слишком высоки. Производитель может установить OVP равным 15,6 для шин +12 В и при этом оставаться в пределах спецификации. Представьте себе, что через компоненты вашей системы проходит напряжение 15,6 В!

Поскольку точки срабатывания UVP не охватываются спецификацией ATX, все производители схем защиты ИС могут устанавливать свои собственные.

OPP (защита от перенапряжения)

Защита от перегрузки по мощности (OPP) срабатывает, когда мощность, которую мы получаем от блока питания, превышает его максимальную номинальную мощность. Обычно производители дают небольшой запас мощности для блока питания, поэтому порог OPP устанавливается на 50-100 Вт (в некоторых случаях даже больше) выше максимальной номинальной мощности блока питания. В блоках питания с одной шиной +12 В, где OCP в большинстве случаев не имеет смысла, OPP берет на себя его роль и отключает блок питания в случае перегрузки шины +12 В.

OTP (защита от перегрева)

Когда присутствует защита от перегрева (OTP), мы обычно находим термистор, прикрепленный к вторичному радиатору (в блоке управления вентилятором обычно используется термистор в том же радиаторе). Термистор информирует схему защиты о температуре радиатора, и если она превышает заданный порог, то БП отключается. Чрезмерная температура может быть результатом перегрузки или отказа охлаждающего вентилятора, поэтому OTP предотвращает (дальнейшее) повреждение блока питания.

В некоторых случаях и из-за того, что OTP не поддерживается большинством доступных в настоящее время ИС супервизора, его можно реализовать другим способом (например, активировав другую защиту при обнаружении превышения уровня температуры во внутренних компонентах блока питания). Мы считаем одноразовый пароль одним из самых важных средств защиты в любом блоке питания, хотя во многих моделях его нет.

SCP (защита от короткого замыкания)

Защита от короткого замыкания (SCP) постоянно контролирует выходные шины и, если обнаруживает, что импеданс менее 0,1 Ом, немедленно отключает источник питания. Другими словами, если каким-то образом происходит короткое замыкание на выходных шинах, срабатывает эта защита и отключает блок питания, чтобы предотвратить повреждение или возгорание. Согласно спецификации ATX 2.31, каждая шина +12 В должна иметь отдельное короткое замыкание. Эта защита есть практически во всех современных БП (по крайней мере, фирменных).

Блок питания (PSU) подобен бьющемуся сердцу вашего настольного ПК, вырабатывая энергию, необходимую для работы каждого из ваших компонентов. Именно поэтому в лучших блоках питания предусмотрены функции, защищающие его и компоненты вашей системы от повреждений, такие как защита от перегрузки по току (OCP).

OCP – это функция, которая использует одну или несколько цепей, чтобы блок питания не выдавал больше тока, чем могут выдержать его цепи и кабели. OCP важен, потому что высокие токи могут расплавить кабели и разъемы блока питания и повредить соответствующие схемы регулятора. Покупая блок питания, вы должны убедиться, что OCP входит в список его функций защиты и что он хорошо работает (мы оцениваем все функции защиты в наших обзорах блоков питания).

Как работает OCP? Multi-Rail и Single-Rail

Подумайте о домашнем автоматическом выключателе. На главной панели есть предохранители, которые обеспечивают защиту, не позволяя кабелям, идущим к каждой настенной розетке, выдерживать больший ток, чем то, на что они рассчитаны. То же самое касается ОКП. OCP не только защищает регулирующие цепи вашего блока питания (+12 В, 5 В, 3,3 В и 5 В), но и гарантирует, что разъемы и кабели не расплавятся при экстремальных нагрузках.

Для блоков питания с одной шиной +12 В особенно важно, чтобы другие функции защиты блока питания, а именно защита от превышения мощности (OPP), защита от пониженного напряжения (UVP) и защита от короткого замыкания (SCP), хорошо работали в дополнение к OCP. Например, если к одному разъему приложена очень высокая нагрузка, SCP или UVP отключат блок питания.

Часто многоканальные блоки питания +12 В используют одну шину для подачи питания на такие устройства, как материнская плата, ЦП, порты SATA и разъем Molex (по которому подается питание постоянного тока на диски ПК), в то время как для питания оборудования, подключенного к PCIe, используется другая шина. рельсы. Блоки питания с несколькими шинами +12 В обычно считаются более безопасными. Но пока не считайте блоки питания с одной шиной +12 В. Для оптимальной производительности поставщики блоков питания с несколькими шинами +12 В должны правильно установить пределы OCP для шин +12 В. Кроме того, процесс установки может быть сложным для новичков, поскольку эти блоки питания требуют особого внимания к тому, как провода / разъемы подключены к энергоемким компонентам.

Еще одно преимущество одиночных шин +12 В – это высокие частоты разгона, когда некоторые графические процессоры могут создавать скачки напряжения, вызывающие срабатывание OCP на некоторых линиях +12 В.

OCP и OPP/OLP

OCP не следует путать с защитой от перегрузки по мощности (OPP), также известной как защита от перегрузки (OLP). OPP — это еще одна защитная функция, которую используют блоки питания. Она отключает блок питания, если он потребляет больше энергии, чем его максимальная номинальная мощность.

Блок питания может иметь как OCP, так и OPP и использовать обе функции одновременно.

Шарон Хардинг особенно любит игровые периферийные устройства (особенно мониторы), ноутбуки и виртуальную реальность. Ранее она освещала бизнес-технологии, в том числе оборудование, программное обеспечение, кибербезопасность, облачные технологии и другие ИТ-события, в Channelnomics, с авторами в CRN UK.

Для защиты источника питания и его нагрузки от сбоев друг друга требуются компоненты и функции, такие как предохранитель, блокировка минимального напряжения, ломы и зажимы.

Защита питания подобна страховке: вы платите за нее, но надеетесь, что она вам не понадобится. Но это не простая «покупка». Первый вопрос защиты: «Что я хочу защитить и от каких событий?» Ответ двоякий: источник питания и его компоненты нуждаются в защите от сбоев нагрузки, а нагрузка нуждается в защите от сбоев питания.

Второй вопрос: "Какие ошибки?Это может быть чрезмерный ток или напряжение, начиная от короткого замыкания и связанных с ним высоких токов, заканчивая переходными процессами и скачками напряжения из-за электростатического разряда (ЭСР) или даже молнии. Некоторые неисправности возникают из-за отказа компонентов, тогда как другие могут быть вызваны ошибкой проводки. Наконец, в некоторых случаях причиной неисправности может быть даже слишком низкое напряжение питания.

Компоненты, которые должны быть добавлены в цепь или систему для обеспечения защиты цепи, мало ценятся. Они не улучшают функциональность и не добавляют гламура, привлекательности или производительности продукта. Они занимают место, увеличивают стоимость, усложняют спецификацию материалов (BOM) и обычно сидят тихо, ничего не делая. Так происходит до тех пор, пока они не понадобятся, когда от них ожидается быстрая реакция и защита других компонентов в цепи от неисправности или даже разрушения.

Защита от любых и всех возможных проблем с электропитанием является сложной, дорогостоящей и, как правило, ненужной. Задача инженера-проектировщика — оценить, нужна ли защита от сбоев; в конце концов, нет особых причин защищать смартфон от скачков напряжения, вызванных молнией.

Существует множество компонентов и методов, связанных с защитой, на выбор. Большинство из них пассивны, но некоторые активны. В этой статье речь пойдет только о пассивных или преимущественно пассивных типах.

Как и в случае с большинством проблем дизайна, существуют пересекающиеся точки зрения на одну и ту же основную тему. Что касается защиты электропитания, вы можете сначала рассмотреть ее с точки зрения потенциальных условий неисправности, а затем вариантов их устранения, или с точки зрения различных компонентов защиты, а затем сбоев, для которых они используются. Цепь или система могут использовать один или несколько уровней и типов защиты. Многие из этих функций защиты встроены в источник питания, будь то ИС преобразователя постоянного тока или более крупный блок переменного тока в постоянный. В других случаях, например, когда инженер проектирует источник питания из отдельных компонентов, может потребоваться добавить некоторые из них.

Все начинается с перегрузки по току и предохранителей

После срабатывания предохранителя подача тока полностью прекращается и может быть восстановлена только заменой самого предохранителя, что является либо преимуществом, либо недостатком, в зависимости от применения. Более сложный автоматический выключатель является альтернативой предохранителю, который не требует замены после срабатывания. Некоторые выключатели активируются термически, некоторые активируются магнитом; в любом случае, подобно предохранителю, прерыватель является устройством, срабатывающим от тока.

Несмотря на то, что предохранитель «древний», он недорогой, надежный, простой в конструкции и эффективный. Доступны базовые предохранители номиналом от 1 А до сотен ампер (рис. 2). Хотя у предохранителей есть номинальное напряжение, это в первую очередь связано с номиналом контактов и физическим расстоянием, поскольку сам предохранитель срабатывает только от протекающего через него тока, а не от напряжения.

Клещи проводят ток, достаточный для поддержания напряжения на нем на безопасном желаемом уровне, когда переходный процесс превышает напряжение проводимости клещей. Он должен быть рассчитан на мощность, которую он должен рассеять в течение определенного времени, обычно относительно короткого переходного процесса. Зажим TVS — кремниевое устройство с биполярным переходом, похожее на базовый выпрямительный диод, но предназначенное для работы в условиях обратного напряжения пробоя — доступно с напряжением пробоя от 4 до 500 В и с различной номинальной мощностью для обеспечения различных возможностей защиты от перенапряжений. TVS — это устройство с биполярным соединением.

По сравнению с зажимом низкое удерживающее напряжение лома позволяет ему выдерживать более высокий ток короткого замыкания без рассеивания большой мощности, поэтому он может выдерживать более высокие токи и работать в течение более длительных периодов времени (рис. 6). Также проще настроить схему так, чтобы лом также вызывал перегорание предохранителя (и, таким образом, полное прекращение тока), если это необходимо.

Гурсимран Сингх Чавла, Инженерная школа Чамели Деви, «Предохранители и их тип в энергосистеме»

Читайте также: