Железо

О проверке импульсных цепей питания с помощью осциллографа

Для питания современной вычислительной техники в основном используют питающие напряжения +12, +5, +3.3 вольта (постоянный ток), формирующиеся блоком питания. Электронные компоненты, установленные на видеокартах, материнских платах часто требуют других номиналов питающих напряжений. Чаще всего вольтаж, необходимый для их работы, формируется путем понижения питающего напряжения до нужного значения.

При питании маломощных компонентов нет необходимости обеспечивать высокую эффективность работы схем преобразования входного питающего напряжения, так как потери мощности достаточно мизерные. В связи с этим маломощные узлы (например, микросхема флеш-памяти Bios) запитываются с помощью цепей прямо (линейно) преобразующих питающее напряжение до нужного номинала.

При питании мощных электронных компонентов, таких как процессор (видеоядро) и оперативная память, необходимо обеспечить высокую мощность от источника питания. Если величина потерь будет высокой (при низком КПД цепей питания), то будет происходит излишний нагрев устройства, а также расходоваться лишние средства на оплату электроэнергии.

Для обеспечения высокой эффективности работы питающих цепей большой мощности используются схемы, работающие в импульсном режиме. Это делается для сохранения компактных размеров устройств и увеличения КПД.

Пример использования ШИМ-преобразования напряжения в импульсном блоке питания:

В статье Как работает VRM материнских плат рассматривались некоторые особенности работы фаз питания, использующихся в современной вычислительной технике. В данной статье динамические процессы, происходящие в фазе питания, рассматриваются с другой точки зрения. Эти знания помогут не только при ремонте неисправных устройств, но и помогут осуществлять более осмысленную эксплуатацию компьютерной техники.

О работе фаз питания, работающих в импульсном режиме

В импульсных цепях фаз питания напряжение от блока питания используется не постоянно, а периодически, с помощью коммутации ключевыми транзисторами:

Благодаря этому на нагрузке появляется не все питающее напряжение, а лишь его часть. Это позволяет понижать вольтаж до нужного значения при сохранении достаточно высокого КПД.

При работе большинства импульсных цепей питания используются коммутационные ключи на мощных полевых транзисторах, управляемые микросхемой, формирующей управляющие импульсы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), длительность которых меняется в зависимости от напряжения на выходе.

Чем больший вольтаж нужно получить на выходе — тем дольше должны быть открыты ключевые транзисторы, соответственно должен дольше длиться управляющий импульс:

Чем большая частота используется при работе, тем больше энергии накапливается в катушке индуктивности, что позволяет значительно уменьшить ее размеры. Слишком сильному увеличению частоты препятствует значительное увеличение реактивного сопротивления проводников на высоких частотах и другие сложности, присущие ВЧ-технике.

Сбалансированная работа схем импульсного преобразования требует использования ключевых транзисторов с наименьшим внутренним сопротивлением в момент рабочего цикла, задействования сглаживающих, фильтрующих (блокировочных) конденсаторов, использования цепей обратной связи и ряда других узлов/компонентов.

Уменьшение пульсаций (Ripple) осуществляется с помощью электролитических накопительных конденсаторов, а ВЧ-шумов (Noise) — с помощью блокировочных:

Использование некачественных электронных элементов, огрехи при сборке, перегрев, старение электронных компонентов иногда приводят к выходу из строя фаз питания. Так как через них проходят большие токи, то последствия от их выхода из строя могут привести к возгоранию, а также повлечь за собой другие компоненты, включая дорогостоящие процессор/память.

При поиске неисправностей фаз питания нужно понимать пути прохождения тока через их ключевые транзисторы, а также его величину. Полную картину процессов, происходящих в фазах питания невозможно получить без осциллографа.

Проверка напряжения и тока на выходе импульсного источника питания на наличие пульсаций и шума с помощью двухканального осциллографа:

При изучении конкретной схемы нужно понимать, как проходят токи, напряжения и управляющий сигнал на фазе питания.

Как проходят токи через транзисторы верхнего и нижнего плеча фаз питания?

Фаза питания импульсных источников питания работает в два цикла, при которых ток проходит поочередно через транзистор(-ы) верхнего и нижнего плеча.

Упрощенная схема фазы питания с двумя полевыми транзисторами:

При открытом верхнем ключе (первый цикл работы, ключевой транзистор нижнего плеча при этом закрыт) ток проходит по цепи: плюсовой вывод источника питания (в данном случае +12 вольт) — транзистор верхнего ключа T1 — катушка индуктивности L — нагрузка Rн — общий провод (минус от источника питания).

На протяжении второго цикла работы открывается нижний ключевой транзистор T2 (верхний закрывается), а ток проходит по цепи: накопительная катушка индуктивности L — нагрузка Rн — транзистор нижнего ключа T2 — катушка индуктивности L.

Во время второго цикла работы источником энергии является дроссель (катушка индуктивности L), отдающий электричество, накопленное во время первого цикла.

Сглаживание пульсаций на выходе фазы питания происходит за счет накопления электрической энергии в LC-элементах (конденсатор С на схеме выше).

Визуализация прохождения тока в динамике есть в ролике Ток через нижнее и верхнее плечо шим контроллера на Youtube.

Для согласования работы различных электронных элементов, обеспечения стабильности выходного напряжения, защиты, контроля и управления используются дополнительные компоненты.

Как правило, в фазах питания видеокарт и материнских плат используется по два мощных транзистора нижнего плеча и один — в верхнем плече. Это связано с тем, что ток, проходящий во время первого цикла работы значительно больше, чем при работе от накопительного дросселя. В связи с этим обычно используются более мощные транзисторы нижнего плеча, обычно работающие параллельно, что увеличивает допустимый рабочий ток и снижает сопротивление сток-исток (Rds) во время рабочего цикла (в открытом состоянии).

Транзисторы верхнего ключа пропускают меньший ток, но должны работать с большей частотой. Поэтому для них более важна скорость открытия td(on) и закрытия td(off), чем допустимый ток.

Проверка работоспособности транзисторов фаз питания рассматривается в статьях О проверке полевых транзисторов импульсных цепей питания, а также Устранение проблем с запуском материнской платы. Для проверки работы фаз питания в динамике нужно использовать осциллограф.

Проверка напряжений и токов в цепи с помощью осциллографа

Проверка бросков (пускового) тока (inrush current) осциллографом может осуществляться на токовом резисторе (шунте) и с помощью токового щупа.

Изучение формы тока в цепи с помощью токового шунта:

Для проверки сдвига фаз между током и напряжением в электрической цепи нужно использовать двухканальный осциллограф.

Пример проверки работы транзистора фазы питания с помощью двухканального осциллографа:

На приведенной выше схеме производится одновременное измерение формы напряжения и тока на выходе полевого транзистора. Для изучения напряжения минус щупа (Diff Probe) подключается непосредственно к истоку (source), а плюс — к стоку (drain) ключевого MOSFET-транзистора. Щуп Current Probe (токовые клещи) второго канала показывает форму пульсирующего (перменного) тока в цепи.

Для справки:

Токовый щуп (Current Probe) используется для изучения тока в цепи без оказания на нее влияния. Такой щуп не требует электрического подключения к изучаемой цепи.

Самый простой токовый щуп представляет собой токовый трансформатор:



Такой трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Для измерения постоянного и переменного тока в приведенную выше схему добавляют датчик Холла, катушку Роговски, сенсоры AC zero-flux или другие элементы.

Токовый щуп CP-02B, продающийся на AliExpress (предел измерений — ток до 10 А, частота — до 10 МГц ):



Для использования токового трансформатора нужно чтобы проводник проходил через его катушку индуктивности.

Подключение проводника исследуемой цепи к токовому трансформатору и осциллографу:



Кроме токового щупа изучить форму тока в цепи можно путем подключения второго канала осциллографа к токовому резистору Rт (шунту) в составе исследуемой цепи:

Для исследования сдвига фаз между током и напряжением на двухканальном осциллографе с использованием токового резистора используют следующую схему подключения:

В приведенной выше схеме первый канал измеряет напряжение на выходе источника питания, а второй — напряжение на токовом резисторе (сигнал на нем при изучении сдвига фаз нужно инвертировать из-за встречного включения относительно первого канала). Синхронизация прибора в данном случае осуществляется от первого канала, так как вольтаж U Rт значительно меньше напряжения на первом канале, что ухудшило бы условия работы прибора при использовании второго канала для синхронизации.

Чем больше сопротивление токового резистора, тем большее на нем падение напряжения. Таким образом, в цепях с невысоким вольтажом можно использовать резисторы высокого сопротивления, что обеспечит лучшую чувствительность при проведении измерений.

При проверке обязательно нужно обеспечить гальваническую развязку систем питания осциллографа и проверяемого устройства. Кроме того, при использовании двухканального осциллографа нужно исключить ситуации, когда в исследуемую схему щупами осциллографа (например, общим проводом разных каналов) вносятся изменения.

Правильное и неправильное подключение двухканального осциллографа (масса обеих каналов должна быть подключена к одной общей точке):

Проверка формы напряжения, которое формируется на выходе источника питания с помощью осциллографа:

Проверка работы ШИМ-контроллера

При проверке работы микросхемы ШИМ в первую очередь нужно проверить ее выходное сопротивление (между контактами GND и OUT) — как правило, оно должно быть очень большим, близким к бесконечности (при этом на измерения не должны оказывать влияние окружающие элементы). Если при исправном ключевом полевом транзисторе на выходе ШИМ-контроллера (не выпаянного из платы) малое сопротивление (ниже одного килоОма) — то микросхема пробита.

При выходе из строя силовых транзисторов, нужно проверять исправность не только микросхемы ШИМ-контроллера, но и ее обвязку, так как элементы выходных цепей часто оказываются неисправными при пробоях MOSFET-ов.

Правильно работающий ШИМ-контроллер при импульсном преобразовании напряжения должен формировать сигнал управления, имеющий одинаковую периодически изменяющуюся форму. Этот сигнал через драйверы попеременно открывает и закрывает ключевые полевые транзисторы верхнего и нижнего плеча каждой фазы питания. Обычный мультиметр не может корректно отображать сигнал на ШИМ-контроллере, так как он имеет слишком высокую частоту. Поэтому для изучения сигнала, формируемого ШИМ-контроллером нужно использовать осциллограф, который фактически является вольтметром с продвинутыми функциями.

При проверке ШИМ-контроллера можно использовать следующую последовательность действий:

  • подать на ШИМ-микросхему проверяемого устройства от внешнего источника питания (лабораторного блока питания) необходимое ей питающее напряжение с ограничением тока;
  • проверить референсное напряжение на выводе VREF, оно должно соответствовать номиналу (согласно даташиту);
  • проверить стабильность референсного напряжения при изменениях питающего напряжения от лабораторного источника питания в пределах, соответствующих Datasheet;
  • осциллографом проверить сигнал на выходе частотозадающей цепи ШИМ-контроллера, которое должно оставаться в пределах нормы даже при изменениях питающего напряжения в заданных пределах;
  • проверить на осциллографе импульсы, идущие на ключевой транзистор фаз питания с выхода PWM-контроллера.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

English English Русский Русский