Без рассмотрения принципов действия простейшего однофазного импульсного регулятора напряжения нельзя переходить к рассмотрению многофазных импульсных регуляторов напряжения питания. Рассмотрим основные компоненты импульсного регулятора напряжения питания. Импульсный понижающий преобразователь напряжения питания содержит: ШИМ-контроллер (PWM-контроллер); электронный ключ, который управляется ШИМ-контроллером и периодически подключает и отключает нагрузку к линии входного напряжения; индуктивно-емкостной LC-фильтр для сглаживания пульсаций выходного напряжения (ШИМ - широтно-импульсная модуляция, PWM - это PulseWideModulation).
PWM-контроллер создает последовательность управляющих импульсов напряжения, представляющих собой последовательность прямоугольных импульсов напряжения (см. рис. 1), которые характеризуются амплитудой, частотой и скважностью (скважностью называют отношение промежутка времени, в течение которого сигнал имеет высокий уровень, к периоду сигнала).
Рис. 1. ШИМ- сигнал
Сигнал, формируемый ШИМ-контроллером, используется для управления электронным ключом (рис. 2, б), который периодически, с частотой ШИМ-сигнала, подключает и отключает нагрузку к линии питания 12 В (амплитуда ШИМ-сигнала должна быть такой, чтобы с его помощью можно было управлять электронным ключом).
В качестве электронного ключа импульсных преобразователей напряжения питания компонентов материнских плат обычно используется пара полевых n-канальных МОП-транзисторов (MOSFET-транзисторы). Ключи соединены следующим образом: сток одного транзистора подключен к линии питания 12 В, а исток этого транзистора соединен с точкой выхода и стоком другого транзистора, а исток второго транзистора заземлен. Транзисторы этого электронного ключа (силового ключа) работают таким образом, что один из транзисторов всегда находится в открытом состоянии, а другой - в закрытом.
Соответственно на выходе электронного ключа наблюдается последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой 12 В и частотой следования, равной частоте ШИМ-импульсов.Периодическая последовательность прямоугольных импульсов одинаковой длительности (при представлении в виде ряда) будет иметь постоянную составляющую, обратно пропорциональную скважности импульсов (иначе говоря, прямо пропорциональную их длительности). Пропустив полученные импульсы через фильтр низких частот (ФНЧ) с частотой среза, значительно меньшей, чем частота следования импульсов, эту постоянную составляющую можно легко выделить, получив стабильное постоянное напряжение (поэтому импульсные преобразователи напряжения содержат также низкочастотный фильтр, сглаживающий последовательность прямоугольных импульсов напряжения). Структурная блок-схема такого импульсного понижающего преобразователя напряжения показана на рис. 2, а.
Для управления переключениями MOSFET-транзисторов управляющие сигналы подаются на затворы этих транзисторов. Управляющий сигнал PWM-контроллера (рис. 2, а) используется для того, чтобы переключать MOSFET-транзисторы, однако этот сигнал подается не непосредственно на затворы транзисторов, а через специальную микросхему, называемую драйвером MOSFET-транзисторов или драйвером фазы питания (рис. 2, б). Данный драйвер управляет переключением MOSFET-транзисторов на частоте, задаваемой PWM-контроллером, подавая требуемые напряжения переключения на затворы транзисторов.
Когда транзистор, подключенный к линии питания 12 В, открыт, второй транзистор, соединенный через свой сток с истоком первого транзистора, закрыт. В этом случае линия питания 12 В оказывается подключенной к нагрузке через сглаживающий фильтр. Когда транзистор, подключенный к линии питания 12 В, закрыт, второй транзистор открыт и линия питания 12 В оказывается отключенной от нагрузки, но нагрузка в этот момент соединена через сглаживающий фильтр с землей.
Когда силовой ключ (рис. 2, б) открыт (т. е. транзистор Т1 открыт, транзистор Т2 закрыт), энергия от входного источника передается в нагрузку через индуктивность, в которой при этом накапливается энергия. Ток, протекающий по цепи, изменяется не мгновенно, а постепенно, поскольку возникающая в индуктивности ЭДС самоиндукции препятствует изменению тока. Одновременно с этим заряжается и конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Когда силовой ключ закрывается (транзистор Т1- закрыт, транзистор Т2 - открыт), ток от линии входного напряжения не поступает в индуктивность (но по законам физики возникающая ЭДС самоиндукции поддерживает прежнее направление тока). То есть в этот период ток в нагрузку поступает от индуктивного элемента. Для того чтобы цепь замкнулась и ток пошел на сглаживающий конденсатор и в нагрузку, открывается транзистор T2, обеспечивая замкнутую цепь и протекание тока по пути: индуктивность – емкость, и нагрузка - транзистор T2 - индуктивность.
а)
б)
Рис. 2. Блок-схема однофазного импульсного понижающего преобразователя напряжения
После такого сглаживающего фильтра, можно получить напряжение на нагрузке (рис. 3), пропорциональное скважности управляющих ШИМ-импульсов (но естественно, что при таком способе сглаживания выходное напряжение будет иметь пульсации напряжения питания относительно некоторого среднего значения, а величина пульсаций напряжения на выходе зависит от частоты переключения транзисторов, значения емкости и индуктивности).
Рис. 3. Пульсации напряжения после сглаживания LC-фильтром
Каким образом осуществляется стабилизация выходного напряжения, и каковы функции PWM-контроллера? Выходное напряжение (при заданной нагрузке, частоте, индуктивности и емкости) зависит от скважности PWM-импульсов. Так как ток через нагрузку изменяется динамически, то возникает проблема стабилизации выходного напряжения. ШИМ-контроллер, формирующий сигналы переключения транзисторов, связан с нагрузкой цепью обратной связи и постоянно отслеживает выходное напряжение на нагрузке. Внутри ШИМ-контроллера генерируется референсное ("опорное") напряжение питания, которое должно быть на нагрузке. ШИМ-контроллер постоянно сравнивает выходное напряжение с референсным, и если возникает рассогласование напряжений, то данный сигнал рассогласования используется для корректировки скважности PWM-импульсов, (то есть изменяется скважность управляющих ключами импульсов - таким образом и реализуется стабилизация выходного напряжения).
Каким образом PWM-контроллер узнает о требуемом напряжении питания схем? Например, напряжение питания разных моделей процессора может быть различным. Кроме того, даже для одного и того же процессора напряжение питания может динамически изменяться в зависимости от его текущей загрузки. О требуемом номинальном напряжении питания PWM-контроллер узнает по сигналам VID (Voltage Identifier). Для современных процессоров типа Intel Core i7, поддерживающих спецификацию питания VR 11.1, сигнал VID является 8-битным двоичным кодом (комбинации 0 и 1), что позволяет задать 256 различных уровней напряжения процессора, а для процессоров, совместимых со спецификацией VR 10.0, сигнал VID был 6-битным.
Версия сайта для слабовидящих