Odkrywamy schematy: zasilacze komputerowe cz.1 - sterowniki

Jednak rzadko kiedy celem będzie wykorzystanie go zgodnie z pierwotnym przeznaczeniem. Na pewno podzespołem nie do pogardzenia jest sprawny zasilacz o mocy kilkuset watów i prądach rzędu kilkunastu amperów. Można wykorzystać go rozmaicie, na przykład jako zasilacz warsztatowy lub jako zasilacz oświetlenia LED-owego. Często jednak konieczna jest ingerencja w celu zmiany wartości napięcia bądź dobudowania obwodu stabilizacji prądu, gdy zasilacz ma pracować jako ładowarka akumulatorów.

Zmiana wartości napięć wyjściowych w niedużym zakresie nie jest zadaniem trudnym, lecz i wtedy należy się spodziewać, iż zasilacz PC odmówi posłuszeństwa, ponieważ zaprojektowany dla zasilania komputera, musi przede wszystkim zadbać o bezpieczeństwo płyty głównej i innych obwodów, które zasila. Dlatego oprócz głównej przetwornicy, obudowany jest szeregiem obwodów zabezpieczających (protection). Zasilacz musi nie tylko zadbać o to, aby wszystkie napięcia mieściły się w normie, ale i sygnałem PG (Power Good) poinformować komputer, że wszystko jest w porządku. Wykorzystując taki zasilacz dla celów nietypowych, sygnał Power Good można zignorować, ale nie zawsze.

W każdym razie przy przeróbce zasilaczy komputerowych to właśnie obwody zabezpieczenia są zmorą, którą trzeba jakoś obejść. Zwykle zasilacz PC zawiera zabezpieczenie nad- i podnapięciowe o wąskiej tolerancji, i to dla wszystkich wytwarzanych napięć. Posiadając schemat i rozumiejąc jego działanie, nietrudno tego typu modyfikacji dokonać. Wykorzystując zasilacz jako laboratoryjny lub do zasilania niezbyt cennych obwodów, do przyjęcia jest całkowita dezaktywacja obwodów zabezpieczających. Jednak budując zasilacz warsztatowy, zapewne wprowadzimy możliwość regulacji wartości UWY i być może także regulowane ograniczenie nadprądowe.

W przypadku przeróbki zasilacza na ładowarkę, kluczową sprawą jest nie tylko ograniczenie prądu, ale i jego stabilizacja. Wtedy ingerencja w elektronikę pierwotnego układu musi być większa, lecz nie przestraszy średnio zaawansowanego elektronika, o ile tylko dysponuje on schematem i odpowiednią wiedzą. Aczkolwiek w niektórych konstrukcjach zasilaczy jest to problem poważny. Gdy chcemy stabilizować tak duże prądy, jakie daje zasilacz komputerowy, trzeba wykorzystać miliomowe rezystory, a napięcia na nich kontrolować z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego.

FEEL350-ATX

W przypadku przeróbki zasilacza PC na warsztatowy, zapewne zależeć nam będzie na jak najszerszym zakresie regulacji napięcia (napięć) wyjściowych. Głównym ograniczeniem w tym zakresie jest transformator. Jego wymianę (bądź przewijanie) należy uznać za nie do przyjęcia. Jednak, o dziwo w wielu konstrukcjach zasilacza komputerowego zakres możliwości zmiany U_WY jest szerszy, aniżeli można by się tego spodziewać. Gdy na przykład transformator pozwoli na regulację głównego napięcia +12V w zakresie od kilku do nieco ponad 20V, nie jest to mimo wszystko pełnia szczęścia.

A czy wtedy przekroczone mogą być warunki pracy tranzystorów kluczujących bądź diod po wtórnej stronie transformatora? Czy zmieni się też napięcie zasilania scalonego sterownika przetwornicy? Czy może ono wyjść poza dopuszczalny zakres? Wszystko zależy od konkretnego rozwiązania – od konstrukcji zasilacza PC. Branża zasilaczy komputerowych dorobiła się wielu konstrukcji. Nie sposób omówić wszystkich. Jest jednak kilka głównych rodzin (lub klas), które omówimy.

TL494, KA7500, SG6105, ... - omówienie sterowników zasilaczy

Zaczynamy od rodziny najbardziej popularnej, ze sterownikiem TL494 (bądź KA7500) i jego następcami np. SG6105 lub KA3511. Dziś konstrukcja ta została wyparta przez inne rozwiązania. Nadal jednak wśród sprzętu z demontażu najwięcej jest zasilaczy komputerowych tego typu. TL494 jest elementem bardzo elastycznym i jednym z niewielu zasługujących na miano ever green wśród układów scalonych.

O ile TL494 jest bardzo elastyczny i nadaje się do wielu zastosowań, o tyle SG6105 i KA3511 są kostkami specjalizowanymi do zasilacza komputerowego. Lecz podstawowe zasady pracy są te same. SG6105 zawiera w sobie funkcjonalność pierwowzoru (TL494), a oprócz tego zmieszczono w jego strukturze szereg obwodów wcześniej realizowanych na piechotę, czyli na dyskretnych tranzystorach, oraz scalonych wzmacniaczach operacyjnych i/lub komparatorach. W największym skrócie nowsze sterowniki tej rodziny to TL494 plus układ nadzorujący napięcia (supervisor).

Ewolucja konstrukcji zasilaczy PC

Zanim przejdziemy do opisu konkretnego zasilacza, omówmy, jak konstrukcje zasilaczy PC ewaluowały. Otóż najstarsze były konfiguracje push-pull ze sterownikiem właśnie TL494 bądź identycznym KA7500. Królowały one już w czasie komputerów AT. Komputery AT nie miały napięcia standby. W zasilaczach standardu ATX napięcie zasilania sterownika i pokrewnych obwodów dostarcza pracująca nieprzerwanie mała przetworniczka standby i choćby z tego względu przetwornica główna się nieco uprościła.

Konfiguracja push-pull jest historycznie najstarszą w przetwornicach, lecz nie wykorzystuje zbyt dobrze transformatora. Za każdym kluczowaniem aktywna jest tylko połowa uzwojenia pierwotnego, a napięcie na kluczujących tranzystorach to aż podwójna wartość zasilania. Dlatego push-pull został szybko zastąpiony półmostkiem (half-bridge). A w półmostku rolę kluczy pełniły... tranzystory bipolarne. Ale gdy upowszechniły się MOSFET-y, nastąpiła także ewolucja konfiguracji half-bridge do dwutranzystorowej konfiguracji forward.

Niemniej nadal wiele jest konstrukcji z tranzystorami polowymi w półmostku bądź w jednotranzystorowej konfiguracji przepustowej forward. W przetwornicach przepustowych spotykane są wszystkie znane rozwiązania resetowania rdzenia. Prawie wszystkie zasilacze komputerowe deklarują pracę w szerokim zakresie napięcia sieci, czyli na 115V i 230VAC. W starszych konstrukcjach stosowano przełącznik, czyniący z prostownika Graetza układ podwajania napięcia. Łatwo to zrobić, lecz efektem jest nieefektywne wykorzystanie pojemności głównego kondensatora (bulk capacitor).

W obwodach pozwalających na wykonanie prostego podwajacza napięcia spotkamy dwa połączone szeregowo kondensatory główne, a w trybie podwajacza prostowanie jest jednopołówkowe. O ile w urządzeniach gotowych, typu telewizor, stosowano z reguły obwody rozpoznawania napięcia i automatyczny przełącznik, zwykle tyrystor lub triak, czyniący z mostka Graetza podwajacz, w zasilaczach komputerowych był to praktycznie zawsze przełącznik ręczny. Sprawa była o tyle ryzykowna, że zwarcie go przy zasilaniu 230VAC skutkowało napięciem na kondensatorze głównym ponad 600VDC, co zwykle niszczyło zasilacz.

Dużą zmianę przyniósł obowiązek stosowania obwodów poprawy współczynnika mocy (PF – Power Factor). Wiele zasilaczy ma pasywny układ PFC w postaci indukcyjności (ok. 40mH) i takie rozwiązanie nie ma żadnego wpływu na konstrukcję pozostałej części zasilacza, poza tym że zawiera on dodatkowy ciężarek – dławik. Jednak PFC w postaci poprawnego preregulatora podwyższającego (boost, step-up) ma konsekwencje nie tylko dla współczynnika mocy. W najnowszych zasilaczach sterowniki są typu combo, co oznacza, że jeden układ scalony obsługuje i przetwornicę PFC, i główną, zwykle w konfiguracji dwutranzystorowy forward. Niewielka jest oszczędność w przypadku zastosowania jednego układu scalonego zamiast dwóch, natomiast ma to znaczeni e, gdy obie przetwornice pracują synchronicznie.

Co ciekawe, największym radiatorem, a mimo to najgorętszym jest ten, który odprowadza ciepło z diod prostowniczych po wtórnej stronie transformatora, choć regułą jest stosowanie tam diod Schottky’ego, przynajmniej w obwodach 3,3V i 5V. Gdy stosowany jest termistor rozpoznający temperaturę, jest on zwykle przykręcony bądź przyklejony do tego właśnie radiatora, a przy okazji dobudowany jest układ regulujący obroty wentylatora.

Zdecydowaną poprawę w tym zakresie przyniosło stosowanie prostowników synchronicznych, gdzie dioda zastąpiona jest tranzystorem MOSFET. Obwód sterowania tych MOSFET-ów komplikuje się zdecydowanie, lecz sprawę załatwia odpowiedni układ scalony. Jednak jest to rozwiązanie tylko z najnowszych zasilaczy. Podobnie miarą nowoczesności jest przechodzenie na konfiguracje układów – zasilaczy rezonansowych.

O ile już w ostatniej generacji telewizorów kineskopowych (CRT) można było znaleźć zasilacze rezonansowe, o tyle można je znaleźć tylko w najmłodszych zasilaczach PC. Podobnie jak to, że zasilacz o bardzo dużych zdolnościach prądowych produkuje praktycznie tylko jedno napięcie +12V, a +5V i +3,3V wytwarzane są z napięcia +12V przetwornicami obniżającymi (buck, step-down) o imponujących zdolnościach prądowych.

Jeżeli już robimy przegląd historii i ewolucji zasilaczy komputerowych, to choćby w telegraficznym skrócie trzeba też spojrzeć na sposób generowania napięcia 3,3V i małą przetwornicę standby. Od zawsze w zasilaczu 3,3V wykorzystywano piękny i prosty pomysł z cewką z nasycanym rdzeniem, zwany wzmacniaczem magnetycznym. W bardzo prosty sposób z niewielkimi stratami mocy daje to zasilacz 3,3V o imponujących zdolnościach prądowych.

Przy tak niskim napięciu zadbano także o kompensację spadku napięcia na przewodach. Jeden cienki przewód gałęzi 3,3V był zwrotny, to znaczy obwód stabilizacji mierzył napięcie nie swoje, nie na wyjściu zasilacza, tylko na obciążeniu (uproszczona odmiana połączenia Kelvina). Obwód pompujący energię dla zasilacza +3,3V był ten sam co dla +5V, a regulowana była jedna gałąź. Jednak i tu było kilka odmian. Szczególnie w konstrukcjach wykorzystujących w stopniu kluczowania głównej przetwornicy dwutranzystorowy forward.

Ale o dziwo, w najnowszych zasilaczach wzmacniacza magnetycznego już nie znajdziemy! Konstruktorzy wolą stosować przetwornicę obniżającą buck, czerpiącą energię z obwodu +5V lub nawet z +12V. W niektórych konstrukcjach (zasilaczach niemarkowych) w obwodzie 3,3V znajdziemy, o zgrozo, układ stabilizatora z MOSFET-em pracującym liniowo!

Jeśli chodzi o nieprzerwanie pracującą, oddzielną przetwornicę standby, to tu różnorodność jest największa. Zasilacze AT jej nie miały wcale, a pierwsze ATX miały te przetworniczki wykonane bardzo po macoszemu. Nie stabilizowały napięcia wyjściowego, lecz napięcie pomocnicze po pierwotnej, czyli gorącej stronie zasilacza. Stabilizacja U_WY była kiepska. Wymagany był tam postregulator liniowy, zwykle scalony stabilizator typu 7805.

Wcześniejsze zasilacze ATX największą awaryjność zawdzięczały zbyt po macoszemu potraktowanej przetwornicy standby. Gdy rosły wymagania na zdolności prądowe obwodu napięcia oznaczanego +5Vstby, przetwornice te wykonywano coraz solidniej. Tor sprzężenia zwrotnego zawierał już transoptor i mierzone było faktyczne U_WY. Lecz różnorodność rozwiązań była i jest jeszcze większa. Od prostych układów z dwoma tranzystorkami, po konstrukcje z układem scalonym dedykowanym dla zasilaczy standby, gdzie w jednej strukturze jest i sterownik, i kluczujący MOSFET.

W każdym przypadku jest to przetwornica pracująca w konfiguracji flyback. Starsze zasilacze PC wytwarzały także ujemne napięcia –5V i –12V. Późniejsze płyty główne –5V już nie potrzebują, lecz –12V jest obecne. Jako że wymagane prądy są tu znikome, to także obwód –12V wykonany jest zwykle po macoszemu. To znaczy nie dba się zbytnio o sprawność oraz stabilizację. Niemniej spotykanych jest tu co najmniej kilka rozwiązań.

Rys.1 Konfiguracja której sercem jest układ TL494 (KA7500)

Już po tym krótkim przeglądzie widać, iż nie sposób omówić wszystkich szczegółów. I nie taki jest cel niniejszego cyklu artykułów. Cele są dwa: zrozumienie działania zasilacza oraz jego przeróbka. Od przyszłego odcinka będziemy omawiać działanie kilku najpopularniejszych rodzin, ze zwróceniem szczególnej uwagi na możliwości ich przeróbki dla różnych celów. A na zakończenie tej części wprowadzającej proponuję kilka rysunków – schematów blokowych, obrazujących pracę typowych konfiguracji zasilacza PC, które będziemy dokładniej analizować w kolejnych odcinkach cyklu. I nie przejmuj się, jeśli na tym etapie niektóre fragmenty rysunków są niejasne.

W Elportalu wśród materiałów do tego numeru zamieszczono też kilka schematów ideowych zasilaczy PC, do których też będziemy się odwoływać w tekście, a także karty katalogowe układów scalonych. Jednak różnorodność szczegółów jest tak duża, że żaden z nich nie jest w 100% zgodny z analizowanymi w dalszych częściach konkretnymi zasilaczami. Dlatego fragmenty schematów autor odrysowywał z płytek drukowanych.

Na rysunku 1 pokazano konfigurację najbardziej popularną w rozwiązaniach starszych. Sercem jest układ TL494 (KA7500), a szereg obwodów nadzorujących/zabezpieczających wykonano na piechotę. Na rysunku 1 wyeksponowano zarówno wewnętrzne bloki układu scalonego, jak i elementy zewnętrzne istotne dla zrozumienia działania zasilacza.

Rysunek 2 pokazuje typową strukturę zasilacza z wykorzystaniem układu scalonego SG6105.

Rys.2 Typowa struktura zasilacza z wykorzystaniem układu scalonego SG6105

Na rysunku 3 mamy zasilacz wykorzystujący po stronie gorącej bardzo popularny układ scalony UC3843. Pracuje on tu w konfiguracji jednotranzystorowy forward z prostym obwodem resetowania rdzenia typu RCD-clamp. Tutaj stabilizację napięcia 3,3V zapewnia stabilizator pracujący liniowo, co jest dopuszczalne, ponieważ napięcie wejściowe tego stabilizatora pozyskano z osobnego uzwojenia. Jeśli jest dobrze obliczone, spadek napięcia na tranzystorze szeregowym powinien zbliżać się do zera przy pełnym, maksymalnym obciążeniu.

Ale spotykamy też rozwiązania, gdzie U_WE dla stabilizatora liniowego to +5V. 1,7V różnicy to niby nie jest dużo, ale przemnożone przez 13A (co zwykle taki zasilacz deklaruje), daje już 20 watów ciepła na radiatorze! Na rysunku 3 rolę szeregowego tranzystora pełni MOSFET typu N z bramką polaryzowaną z obwodu +12V. To bardzo prawidłowy stabilizator LDO (Low Drop Out). W pracy liniowej MOSFET-a zasadniczo R_DSON nie ma znaczenia, jednak w tym przypadku nie do końca. Na rysunku 3 wyeksponowano także sygnały wejściowe i wytwarzane przez nadzorcę, czyli układ supervisor.

Rys.3 Zasilacz wykorzystujący po stronie gorącej układ scalony UC3843

Rysunek 4 to konfiguracja standardowa, która zastąpiła koncepcje z rysunków 1 i 2 w zasilaczach o mocy powyżej 400W, co obecnie jest standardem. W odróżnieniu od SG6105 i np. KA3511, układy scalone typu combo nie są specjalizowane dla zasilacza komputerowego. COMBO angażuje w jednej strukturze sterowniki dwóch przetwornic: PFC i PWM.

Na rysunku 4 obwód PWM narysowano jako dwutranzystorowy forward, aczkolwiek może także być jednotranzystorowy (może to też być flyback). Układ COMBO pracuje po gorącej stronie zasilacza i zasilany jest z gorącej strony przetwornicy standby. W tej koncepcji zasilacza komputerowego zwykle trzecim układem scalonym, ulokowanym po stronie izolowanej, jest jakiś supervisor nadzorujący poprawność napięć wyjściowych i generujący sygnał Power Good.

Rys.4 Konfiguracja standardowa, która zastąpiła koncepcje z rysunków 1 i 2 w zasilaczach o mocy powyżej 400W

Na rysunku 5 mamy strukturę zasilacza spotykaną w konstrukcjach najmłodszych. PFC to przetwornica podwyższająca (boost, step-up), obwód standby to tradycyjny zasilacz flyback, przetwornica główna – rezonansowa LLC, a do tego postregulatory – przetwornice obniżające dla +5V i +3,3V. Nie jest to dobry zasilacz do przeróbek. Przetwornica rezonansowa pracuje na zupełnie innej zasadzie niż PWM i dobrze sobie radzi z szerokim zakresem obciążenia, ale o wiele gorzej z zakresem napięcia U_WE. Tu sytuację po części ratuje preregulator PFC, ale regulacja U_WY jest mocno problematyczna. To konfiguracja niepodatna na przeróbki, a w szczególności na ładowarkę się zupełnie nie nadaje. Ale jako zasilacz – tak, więc warto się przyjrzeć także tej konfiguracji.

Rys.5 Struktura zasilacza spotykana w konstrukcjach najmłodszych

I jeszcze jedno: zasilacze komputerów typu laptop to zupełnie inna para kaloszy. Ale to też interesujące, bardzo pomysłowe konstrukcje. Co prawda mniej podatne na przeróbki, ale również mogą się przydać, niekoniecznie dla zasilania komputera. W następnym odcinku przyjrzymy się bliżej konstrukcji zasilacza ATX z kostką SG6105.