Железо,  Статьи

Работа схем активной коррекции фактора мощности в блоках питания

Блок питания в компьютере является одним из самых важных компонентов. От его качества в большой степени зависит надежность работы и безотказность дорогостоящих видеокарт, выполняющих вычисления при майнинге.

При подборе комплектующих для сборки майнинг рига следует обращать особое внимание на выбор качественного блока питания. Дешевое устройство может с легкостью отправить в мир иной дорогостоящее оборудование, поэтому экономия в этом случае не всегда оправдана.

К сожалению, даже качественные блоки питания (БП) иногда выходят из строя. В случае использования хорошего БП последствия для остального оборудования обычно не столь печальны, но все же ощутимы из-за вынужденных простоев и трат на приобретение нового блока.

Неотъемлемой частью всех относительно мощных импульсных блоков питания (выше 75 ватт) является схема, отвечающая за коррекцию фактора мощности. Она нужна для обеспечения полноценного отбора мощности из сети переменного тока.

Очень часто в современных компьютерных блоках питания используются APFC (Active Power Correction Circuit) — схемы коррекции, работающие в активном режиме с повышающим преобразованием. Они выполняют задачу по синхронизации фаз тока и напряжения высоковольтной части блока питания, которая возникает из-за зарядки-разрядки конденсатора, сглаживающего пульсации.

Упрощенная схема APFC с boost-преобразованием с помощью накопления энергии на катушке индуктивности:

Электронные элементы APFC работают на высоких напряжениях, подвергаются повышенной температурной и токовой нагрузке из-за чего достаточно часто выходят из строя. В связи с этим стоит разобраться с принципами их работы и возможными проблемами. В данной статье рассматриваются некоторые аспекты работы схем активной коррекции фактора мощности компьютерных импульсных блоков питания.

Общие сведения о схемах коррекции активной мощности

Коррекция коэффициента мощности обычно производится на входе высоковольтной части блока питания, до сглаживающего конденсатора на ее выходе. Существует множество различных топологий схем PFC с активной и пассивной коррекцией:

По ряду причин в компьютерных блоках питания обычно используются активные корректоры мощности, работающие в импульсном режиме с повышением напряжения.

Блок-схемы коррекции активной мощности (boost, dual boost bridgless и totem-pole bridgless) с контроллерами фирмы Texas Instruments:

Типовая схема boostPFC-корректора (с импульсным повышающим преобразователем) с ключом на сдвоенном полевом транзисторе:

Схемы, в которых используется повышающая катушка индуктивности с мостовым выпрямителем на входе блока питания являются одними из самых распространенных. Они имеют эффективность порядка 95-97% и состоят из относительно дешевых компонентов. Потери энергии в таких цепях зависят от 4 факторов:

  • прямое падение напряжения (Vf) на выпрямительных диодах (чем меньше величина Uобр, тем лучше);
  • потери в катушке индуктивности из-за наличия сопротивления обмотки и в сердечнике (из-за вихревых токов и перемагничивания материала);
  • потери на бустерных диодах;
  • потери на ключевых транзисторах.

Рассмотрим подробнее особенности работы классической схемы активной коррекции с импульсным повышающим преобразователем (boost-APFC).

Как работает схема активной коррекции мощности с boost-конвертером?

Чаще всего в мощных компьютерных блоках питания используется схема активной boost PFC-коррекции (с импульсным повышающим преобразователем) с накопительной катушкой индуктивности L, работа которой управляется силовым ключом S1. Ее энергия используется для постоянного заряда выходного конденсатора C импульсами, амплитуда которых меняется в соответствии с синусоидальной формой входного напряжения:

Ток в этой схеме протекает поочередно:

  • при замкнутом ключе S1 — через накопительную катушку индуктивности и разомкнутый ключ S2. При этом катушке заряжается, а питание нагрузки осуществляется от конденсатора C;
  • при размыкании ключа S1 энергия, накопленная в катушке индуктивности складывается с питающим напряжением Vin и питает нагрузку через замкнутый ключ S2. Благодаря этому напряжение на выходе схемы становиться выше, чем питающее.

На практике в качестве ключа S2 используется диод с малым сопротивлением при прямом включении:

Два состояния, в которых находится схема с импульсным повышающим преобразованием напряжения:

Изменяя время On и Off-state с помощью импульсов ШИМ, можно управлять зарядным током конденсатора, приводя его в соответствие с входным синусоидальным напряжением:

Это позволяет снизить до минимума реактивные потери и обеспечить равномерную нагрузку на сеть. Кроме того, такая схема обеспечивает стабильность напряжений на выходе блока питания даже при значительных колебаниях входного напряжения.

В схеме импульсного повышающего преобразования обязательно используется контроллер (Control Circuit), управляющий работой ключевого транзистора:

В работе классической схемы активной boost-коррекции мощности участвуют:

  • входной (обычно мостовой) выпрямитель;
  • ключевой транзистор Q1, работающий как активный управляемый силовой ключ;
  • быстродейстующий диод D1 (обычно диод Шоттки);
  • схема управления (control circuit);
  • нагрузка R1 Load;
  • фильтрующий/накопительный конденсатор C1;
  • катушка индуктивности L1 (boost inductor).

В приведенной выше схеме контролирующий узел постоянно производит измерение входного напряжения (вывод 2 контроллера), а также тока через шунт на выводах 3 и 11. Полученные данные используются для управления временем переключения и скважностью (duty cycle) импульсов на ключевом транзисторе Q1.

Схема управления на основании действующего значения напряжения Vg(t) и тока Ig(t) формирует ШИМ-сигнал, управляющий открытием и закрытием ключевого транзистора.

Периодическое замыкание/размыкание транзисторного ключа обеспечивает заряд выходного конденсатора пульсирующим током в соответствии с формой входного синусоидального напряжения:

Осциллограммы напряжений и токов на элементах активного корректора мощности:

Использование сигнала обратной связи с выхода схемы коррекции мощности позволяет осуществить стабилизацию выходного напряжения. Для этого обычно используются резисторы обратной связи Roc1, Roc2 и перемножитель выпрямленного и выходного напряжения:

В блоках питания, питающихся от сети 220В, величина напряжения на выходе схемы APFC для обеспечения запаса по регулированию достигает 400В. Для получения квазисинусоидальной формы тока на выходе корректора мощности используют достаточно высокие частоты коммутации ключа (обычно от 300 КГц до 1 МГц).

Протекание тока в схеме boost-APFC с мостовым выпрямителем и сдвоенными ключевыми транзисторами и диодами (рисунки a и c — On-state, b и d — Off-state):

Исходя из того, что наибольшая нагрузка в схеме APFC приходится на ключевые транзисторы и диоды, именно они, а также микросхема-контроллер, чаще всего выходят из строя.

Элементная база, использующаяся в APFC-цепях блоков питания

Для обеспечения накопления отдачи энергии, дроссель схемы APFC должен иметь достаточную индуктивность (количество витков ) и размер сердечника для накопления магнитной энергии, а также диаметр провода, соответствующий протекающему току. Для выполнения этих требований он должен иметь большие размеры.

Накопительная катушка в БП Be Quiet Dark Power Pro 11 мощностью 1200 ватт выделяется внушительными габаритами:

Для обеспечения большой отдаваемой мощности в схему APFC блока питания устанавливают по нескольку ключевых транзисторов и диодов.

Два диода Шоттки CREE C3D06060G (600 вольт/9.5 ампер) и три N-канальных Mdmesh силовых MOSFET-транзистора 31N65M5 (31A 650V) 1200-ваттного блока питания Be Quiet Dark Power Pro 11:

Цоколевка транзисторов 31N65M5:

Цоколевка диодов C3D06060G:

В блоке питания той же серии на 850 ватт используется два полевых транзистора Infineon IPA60R165CP и диод CREE C3D06060G (слева):

В качестве контроллера APFC-схемы в БП Be Quiet Dark Power Pro 11 используется микросхема Infineon ICE2PCS02:

Назначение пинов у ШИМ-контроллера ICE2PCS02 (вид сверху):

Блок-схема контроллера ICE2PCS02 и его типовое включение:

Место контроллера ICE2PCS02 в схеме boostAPFC:

Примеры схем активной коррекции фактора мощности

Пример схемы APFC блока питания на 300 ватт с микросхемой ICE2PCS02:

Пример схемы активной коррекции фактора мощности на микросхеме UCC28019:

Схема активной коррекции фактора мощности в следующем примере состоит из параллельно включенных MOSFET-ов Q3 и Q10, индуктивности L11, диода D27 и накопительных конденсаторов C4 и C5:

Еще одна схема, отвечающая за коррекцию фактора мощности:

Для защиты блока питания от чрезмерной нагрузки в этом блоке в момент включения используется терморезистор RT1 сопротивлением 2.5 Ом. Сигнал VCCP включает реле RL1 (модель 835NL-1A-B-C с нормально разомкнутыми контактами) только после перехода блока питания в рабочий режим. В момент включения ток проходит через защитный терморезистор, что уменьшает нагрузку на БП. Аналогичные решения используются во многих качественных блоках питания, например, в БП Be Quiet Dark Power Pro 11, где используется реле 507-1CH-F-C.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

English English Русский Русский