Как сделать так, чтобы блок питания не уходил в защиту

Обновлено: 04.07.2024

Источники питания переменного/постоянного и постоянного/постоянного тока обычно относительно прочны при нормальной работе. Тем не менее, в большинство этих устройств встроены некоторые функции защиты, гарантирующие, что они не «самоуничтожатся» или не повредят связанные схемы — в первую очередь их нагрузки — в случае сбоя или несоответствующего режима работы.

(примечание: строго говоря, источник питания — это устройство переменного/постоянного или постоянного/постоянного тока, но последние также называются преобразователями или регуляторами. Однако использование этих терминов часто неаккуратно, особенно в непринужденной беседе.)

Разве предохранитель не нужен для защиты источника питания и нагрузки?

Да и нет. Предохранитель защищает источник питания в случае короткого замыкания цепи нагрузки или слишком большого тока. Предохранитель может не понадобиться, так как многие источники питания «самоограничиваются» в том смысле, что они могут подавать ток только до определенного значения. Сработавший предохранитель нужно будет заменить вручную, и это проблема во многих приложениях (но преимущество в других). Кроме того, предохранитель не может защитить от других типов сбоев или неправильной работы, кроме слишком большого тока на выходе.

Что такое блокировка при пониженном напряжении (UVLO)?

UVLO гарантирует, что преобразователь постоянного тока не попытается работать, когда входное напряжение, которое он видит, слишком низкое, рис. 1. Это делается по двум причинам: во-первых, схема внутри преобразователя может работать неправильно или действовать неопределенным образом. если входное напряжение постоянного тока слишком низкое, и некоторые компоненты более высокой мощности могут быть повреждены; во-вторых, он не позволяет преобразователю потреблять первичную мощность, даже если он не может обеспечить достоверную выходную мощность. Этот последний аспект означает, что источник, такой как батарея, которая подавала на преобразователь недостаточное напряжение, все еще может быть дополнительно разряжена преобразователем. Как следствие, время перезарядки аккумулятора будет больше, особенно если это источник с ограниченной энергией, такой как сбор энергии.

Рис. 1. Источник питания не «мгновенно» выходит на полную мощность, а вместо этого имеет переходные диапазоны и время включения и выключения; UVLO гарантирует, что источник питания не будет пытаться обеспечить полную выходную мощность, когда его входное напряжение ниже минимума, необходимого для правильной работы. (Источник: Texas Instruments)

Для реализации UVLO небольшая маломощная схема сравнения внутри преобразователя сравнивает входное напряжение с заданным порогом и переводит источник питания в режим покоя до тех пор, пока порог не будет превышен. Чтобы гарантировать, что UVLO не вибрирует около порога, с ним используется небольшой гистерезис. Так, например, питание отключится, когда входное напряжение упадет ниже 5,0 В, но не включится, пока рост напряжения не достигнет 5,5 В

Что такое защита от перенапряжения (OVP)?

Несмотря на то, что источник питания или преобразователь обычно рассчитан на получение фиксированного выходного напряжения постоянного тока, внутренний сбой в источнике питания может привести к повышению этого напряжения и, возможно, повреждению нагрузки, к которой подключен источник. Этот отказ может быть вызван коротким замыканием в жгуте проводов, отказом пассивного компонента или отказом активного устройства, такого как полевой МОП-транзистор. Вне зависимости от источника, само по себе оно, безусловно, нежелательно, но особенно если оно также может повредить нагрузку. OVP – это функция, которая отслеживает выходной сигнал по сравнению с внутренним опорным значением и замыкает этот выход, если напряжение превышает пороговое значение.

Схема, которая отслеживает и срабатывает, называется «ломом» предположительно потому, что она имеет тот же эффект, что и металлический лом, наложенный на выход. Ключом к правильно спроектированному лому является то, что он прост и функционирует независимо от источника питания, рис. 2.

Есть два типа ломов: один, когда лом сработал, будет сброшен только в том случае, если я отключил питание; и один, где он будет сбрасываться после устранения неисправности выходного напряжения. Второй полезен, когда условие, при котором срабатывает лом, связано с каким-то переходным процессом, а не с отказом в подаче питания. Хотя большинство расходных материалов в настоящее время поставляются со встроенным ломиком, многие поставщики предлагают небольшую отдельную схему ломика, которую при необходимости можно добавить к существующему расходному материалу.

Что такое защита от тепловой перегрузки?

По своей природе любой блок питания выделяет тепло, потому что его КПД составляет менее 100 %. Даже эффективный блок питания генерирует потенциально неприятную мощность: блок питания мощностью 100 Вт, эффективность которого составляет 90%, по-прежнему рассеивает 10 Вт, что вполне способно нагреть корпус. По этой причине система подачи должна быть спроектирована с достаточным активным охлаждением (например, с помощью вентилятора) или пассивным охлаждением (достигаемым за счет конвекции и кондуктивного охлаждения).

Но что произойдет, если вентилятор выйдет из строя, или путь воздушного потока будет заблокирован, или в корпус попадет другой источник тепла? Источник питания может превысить номинальную температуру, что значительно сократит срок его службы и может даже вызвать немедленную неисправность.Решением является схема в источнике питания, которая измеряет температуру и переводит источник в режим покоя, если она превышает заданный предел. Как и в случае с OVP, некоторые термовыключатели автоматически позволяют возобновить работу при падении температуры, а другие — нет. Какой подход «лучше», зависит от характера приложения и цикла использования.

Это основные внутренние механизмы защиты в источнике питания или преобразователе. Существуют также «защиты» от внешних событий и сбоев, которые обычно предоставляются вне поставки или в качестве дополнительных дополнений.

Для защиты источника питания и его нагрузки от неисправностей 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, от короткого замыкания и связанных с ним высоких токов до переходных процессов и скачков 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

Будь то короткое замыкание вне источника питания или внутри него, перегрузка по току является серьезной проблемой. Это может инициировать каскад дополнительных сбоев, подвергнуть пользователей риску и даже вызвать пожар. Самым старым решением является предохранитель (также называемый плавкой вставкой) (рис. 1) с, по-видимому, простым действием: когда ток превышает пороговое значение тока предохранителя, ток вызывает перегорание специального провода внутри предохранителя. перегреться (нагрев I 2 R), расплавиться и открыться, таким образом отключив ток до нуля.

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 пробивного напряжения — доступно с напряжением пробоя от 4 до 500 В и 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, полностью останавливало ток), если это необходимо.

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

Убедитесь, что ваша система защищена от сбоев питания, а также от дополнительных сценариев.

Неопытные инженеры-электронщики часто предполагают, что хорошая шина питания просто «случается», в то время как более опытные знают, что прочная, бесшумная шина не дается легко, но необходима для стабильной и бесперебойной работы. , бесперебойная работа системы. Но блок питания — это нечто большее, чем просто его способность обеспечивать стабильное напряжение постоянного тока, несмотря на изменения нагрузки и сети, переходные процессы в системе, шум и другие аберрации.

Как так? Хороший блок питания не только обеспечивает питание, но и защищает от временных и постоянных сбоев, которые могут возникнуть как внутри, так и снаружи, а также от нанесения непоправимого ущерба системе, которая является ее нагрузкой.

Прежде чем мы рассмотрим различные типы защиты, стоит кратко рассмотреть четыре класса источников питания постоянного тока, также называемых регуляторами или преобразователями постоянного тока. обратите внимание, что приведенные рейтинги текущего производства являются лишь приблизительными регионами и не имеют жестких или официальных границ:

1) для больших нагрузок, порядка 20 А и выше, существует множество готовых источников питания с открытой рамой или полностью в металлическом корпусе для приложений AC-DC и DC-DC

2) для умеренных нагрузок от 10 до 20 А есть модульные блоки питания; их часто заливают эпоксидной смолой для физической защиты

3) при токе до 10 А существует множество доступных ИС, которым требуется несколько внешних пассивных и активных компонентов для работы в качестве комплектных источников питания

4) наконец, вы можете собрать базовый источник питания из отдельных компонентов, таких как диоды и конденсаторы, часто в сочетании с небольшим LDO или контроллером переключения

Итак, какие существуют типы защиты?

a) Защита от перегрузки (перегрузки по току/короткого замыкания) (OP), включая классический предохранитель, защищает источник питания в случае короткого замыкания цепи нагрузки или слишком большого тока. Многие источники питания «самоограничиваются» в том смысле, что они могут подавать только определенный ток, поэтому предохранитель не нужен. Стандартный предохранитель, который «перегорает» («размыкается») и останавливает подачу тока, необходимо будет заменить вручную; это проблема в одних ситуациях, но достоинство в других. Существуют также электронные предохранители с автоматическим самовозвратом.

b) Ограничение тока и возврат тока являются расширениями защиты от перегрузки. Если ток, от которого нагрузка потребляет питание, превышает расчетный предел, обратная обратная связь по току снижает как выходной ток, так и связанное с ним напряжение до значений ниже нормальных рабочих пределов. В крайнем случае, если нагрузка становится короткозамкнутой, ток ограничивается небольшой долей максимального значения, в то время как выходное напряжение, очевидно, падает до нуля.

c) Блокировка при пониженном напряжении (UVLO) гарантирует, что преобразователь постоянного тока не будет пытаться работать, когда входное напряжение, которое он видит на своем входе, слишком низкое, рис. 1. Почему это может быть проблемой? Во-первых, выход питания может быть неопределенным, если его постоянное напряжение слишком низкое, что может вызвать проблемы в системе. Во-вторых, это предотвращает «вампирское» высасывание энергии из источника даже при низком напряжении; это может разрядить аккумулятор, который система пытается зарядить. UVLO также помогает правильному функционированию последовательности включения питания (если таковая имеется). В-третьих, сам преобразователь постоянного тока может быть поврежден, если он попытается включиться, когда его собственный вход слишком низок для правильной работы.

Во время различных режимов источника питания, когда он переходит от выключенного к полностью включенному и обратно, UVLO следит за тем, чтобы источник не пытался включиться и обеспечить выход, если его входное напряжение ниже минимума, необходимого для правильная эксплуатация. (Источник: Texas Instruments)

d) Защита от перенапряжения (OVP) срабатывает, если внутренний сбой в источнике питания приводит к тому, что его выходное напряжение превышает указанный максимум, что может привести к повреждению нагрузки. OVP отключает питание или ограничивает выход, когда напряжение превышает заданный уровень.Схему OVP часто называют «ломом», по-видимому, потому, что она имеет тот же эффект, что и металлический лом, наложенный на выход источника питания. Правильно спроектированный лом функционирует независимо от самого источника питания.

Один тип лома сбрасывается (после срабатывания) только при отключении питания; в другом типе он сбрасывается после устранения неисправности выходного напряжения. Последнее полезно, когда условие, которое привело к срабатыванию ломика, является временным, а не серьезным сбоем в подаче питания. Хотя большинство расходных материалов в настоящее время поставляются со встроенным ломиком, многие поставщики предлагают небольшую отдельную схему ломика, которую при необходимости можно добавить к существующему расходному материалу.

e) Термическая перегрузка произойдет, если подход к охлаждению подачи спроектирован неправильно или не работает (вентилятор останавливается, поток воздуха блокируется). В этом случае источник питания, вероятно, превысит номинальную температуру, что серьезно сократит срок его службы и может даже привести к немедленной неисправности. Решение простое: схема измерения температуры внутри источника питания или рядом с ним, которая переводит источник питания в режим покоя или отключения, если она превышает заданный предел. Некоторые термовыключатели автоматически позволяют возобновить работу, если температура падает, а другие нет.

f) Защита от обратного подключения блокирует протекание тока и обнуляет напряжение, если нагрузка подключена в обратном направлении (положительный выход питания к отрицательной шине нагрузки и наоборот). Это особенно популярно в приложениях, где аккумулятор отсоединен, а затем снова подключен, например, в автомобиле или там, где аккумулятор не запирается.

Итак, какие типы защиты вам нужно добавить к вашему набору? Это, конечно, частично определяется приложением, но также зависит от конструкции питания (пункты 1-4 выше). Для источников питания в металлическом корпусе или модульных (типы питания 1 и 2) большинство этих режимов защиты обычно являются стандартными и включены (кроме предохранителя). Для типа 3 ИС питания могут предлагать некоторые или все функции защиты, но они также могут быть отключены (необходимо в некоторых особых случаях, но также рискованно). Обратное соединение является особым случаем и добавляется только там, где это имеет смысл. Его можно реализовать с помощью простого диода, но это добавляет потери на падение напряжения, поэтому необходима идеальная диодная схема.

Относитесь к своему блоку питания с уважением, которого он заслуживает: убедитесь, что он защищен, а также защищает вашу схему. Ваш дизайн и система будут вам благодарны.

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).

Читайте также: