Sl-Alex домашняя лаборатория

Бесшумный блок питания для HTPC

Просмотров: 7207Комментарии: 2
Проекты

Внимание

Проект разрабатывался в 2011 году, когда ещё довольно сложно было приобрести готовые корпуса с встроенным преобразователем напряжений, в связи с чем на сегодняшний день актуальным его назвать нельзя. Оставляю его в открытом доступе только для истории.

Предыстория

Однажды вечером, ложась спать под весёлое жужжание системника, я задумался — а зачем мне такой шумный компьютер? Так в голове постепенно начала проявляться идея тихого компьютера, такого, на котором можно было бы смотреть фильмы и вполне комфортно работать.

Сразу оговорюсь — тихий не обязательно означает безвентиляторный, даже небольшое активное охлаждение значительно улучшает температурный режим компонентов. Просто мне хотелось, чтобы я его не слышал, сидя на расстоянии метра. В то время как раз началось массовое распространение Intel Atom, поэтому первый такого рода компьютер был собран на плате D945GSEJT от Intel. К сожалению, плата отвратительно воспроизводила видео, а уж о флэш-плеерах в интернете можно было вообще забыть.

В общем, компьютер был переквалифицирован в домашний сервер, а я на долгое время прекратил поиск, пока мне на глаза не попалась плата AT5IONT-I от ASUS, включающая в себя интегрированную видеокарту на базе ION2.

ION2 обещал аппаратное декодирование видео вплоть до 1080p (обещание, кстати, сбылось). Платить за это в итоге пришлось повышенным энергопотреблением, но, как по мне, 40Вт для компьютера — это нормально (хотя хочется ещё меньше). К тому же мне понравился довольно большой радиатор с тепловыми трубками. Единственное, чего не хватало для тишины — блока питания. Я было попытался запитать плату от какого-то блок с APFC, но ему не понравилось в тесноте стола, и он грелся больше, чем материнка, что в итоге и привело его к кончине. Следующий блок питания целый месяц путался у меня на столе, пока я не решился наконец сделать свой собственный блок питания, с блэкджеком и шлюхами без вентиляторов и с питанием от ноутбучных 19В.

Теория

Во-первых, компьютерный блок питания должен быть импульсным. Это позволяет существенно уменьшить габариты БП и улучшить КПД. Во-вторых, я решил не делать трансформаторный преобразователь (поклонники TL494 и иже с ними сейчас забросают меня кирпичами). Это решение связано с тем, что сделать трансформаторный блок питания, обеспечивающий несколько напряжений, задача непростая. При хорошей нагрузке на одном канале напряжение на другом вырастает. В традиционных компьютерных БП эта проблема решена не слишком красиво. Обратная связь берётся с каналов +12В и +5В с разными коэффициентами. Таким образом, традиционный БП частично стабилизирует 12 и частично 5 Вольт и при неравномерной нагрузке перекос всё-таки присутствует. Частично ситуацию спасает использование ДГС (дросселя групповой стабилизации), по сути представляющего собой небольшой трансформатор, однако и он не решает проблему полностью

Этого недостатка лишены блоки питания, в которых каждый канал имеет собственный стабилизатор. Делать каждый канал с трансформатором мне совершенно не хотелось, поэтому было решено делать обычный понижающий преобразователь, но с синхронным выпрямлением. Синхронный выпрямитель улучшает КПД преобразователя за счёт пропадания потерь на диоде и дополнительно даёт возможность защиты выхода от пробоя верхнего транзистора. В случае пробоя нижний транзистор, открываясь в положенный ему момент времени, закорачивает собой источник питания и даже если он тоже пробьётся, на выходе всё равно не появится опасного напряжения.

В поисках готовых решений я нашёл в интернете целую кучу микросхем. Это LM3150, LTC3891, LTC1149 и многие другие. К сожалению, ни одна из этих микросхем во-первых, не валялась в тумбочке, а во вторых, не являлась легко доступной либо в плане наличия у поставщиков, либо в плане цены. Поэтому я решил заняться проктологией найти другой путь.

Решение получилось простым. Три одинаковых модуля преобразователя (12В, 5В, 3.3В), отличающихся только делителем в обратной связи, впаиваются в основную плату, которая обеспечивает коммутацию выходных напряжений, защиту от перегрузок и включение/отключение блока питания.

Преобразователь напряжения

Идея преобразователя напряжения была взята отсюда, схема понравилась доступностью деталей, простотой и сравнительной дешевизной (большую часть деталей я наковырял у себя в тумбочке). С минимумом изменений (драйвер полумоста был заменён на IR2184, полевики на IRL3713, добавлена снабберная цепочка) схема благополучно перекочевала ко мне. Питание ШИМ-контроллера и драйвера берётся от внешнего стабилизатора 12В (он питает все 3 канала БП и расположен на основной плате)

Рисунок 1 — Схема понижающего преобразователя с синхронным выпрямлением.

Рисунок 1 — Схема понижающего преобразователя с синхронным выпрямлением.

Основу преобразователя составляет ШИМ-контроллер LM2575. Он работает на фиксированной частоте 52кГц и способен без внешних транзисторов обеспечить в нагрузке ток до 3А. Однако, сам по себе для работы в составе синхронного преобразователя он не годится. Для этого с ним в паре работает драйвер IR2184. Он обеспечивает необходимое мёртвое время при переключении транзисторов и ток управления затворами до 2А. Транзисторы выбирались исходя из сопротивления канала и допустимого напряжения. Прекрасно подошли IRL3713 (2мОм, 30В). Диод - любой ultrafast типа HER103-105. Индуктивность была намотана на сердечнике от ДГС (дросселя групповой стабилизации) обычного ATX блока питания сложенным в 4 жилы эмалированным проводом Ø = 0.63мм. Намотка легла аккуратно в два слоя, при этом индуктивность получилась около 80мкГн. Количество витков точно не помню, но где-то чуть больше 30.

Поз. Обозн.НаименованиеКол-воПримечание
VD1HER1031
C1470.0x16V1
C20.11SMD 0805
C3,C41мкФ2Керамика
C5,C6,C110.1мкФ3Керамика
C7..C101000.0x(6.3V,16V в зависимости от выходного напряжения)4
DA1LM25751TO220-5
DD1IR21841DIP8
VT1,VT2IRL37132TO220
L180мкГн 5A1Сердечник T106-26 от ДГС
X1..X5PLD6-R5Угловая вилка PLD6
R1,R2Подбирается под выходное напряжение2SMD 0805
R33601SMD 0805
R41k1SMD 0805 (лучше 2 по 2k в парралель)
R5,R7..R910 Ом4SMD 0805
R610 Ом10.5W

Транзисторы и ШИМ-контроллер устанавливаются через теплопроводящие прокладки на общий радиатор. Впрочем, без него можно и обойтись, у меня он больше для красоты.

Рисунок 2 — Плата преобразователя — вид сверху.

Рисунок 2 — Плата преобразователя — вид сверху.

Рисунок 3 — Плата преобразователя — вид снизу.

Рисунок 3 — Плата преобразователя — вид снизу.

Основная плата

Мозгом и щупальцами основной платы является супервизор напряжений TPS3510P от Texas instruments. Сейчас такие микросхемы уже вполне доступны, из аналогов - WT7510. Микросхема обеспечивает правильный запуск, контроль выходных напряжений блока питания, формирование сигнала PowerGood и отключение при выходе напряжений за допустимые пределы. Подробнее можно почитать в документации на микросхемы либо здесь на русском языке с кучей дополнительной информации и примерами схемотехники супервизоров.

Рисунок 4 — Схема блока питания.

Рисунок 4 — Схема блока питания.

Схема простая и должна работать с полпинка. Транзисторы VT4 и VT5 обеспечивают управление полевиками, коммутирующими нагрузку, транзистор VT6 при понижении напряжения в канале 12В ниже порога, задаваемого делителем R6-R7, открывается и транзистор VT7 закорачивает измерительный канал 3.3В, сигнализируя о неисправности. На такую хитрость пришлось пойти в связи с тем, что супервизор не контролирует просадку напряжения в канале 12В. Диоды VD7 и VD8 обеспечивают супервизор питанием, а на DA3 собран простейший преобразователь на -12В. Кстати, практически все электролитические конденсаторы лучше ставить Low-ESR ("компьютерные"). Не пожадничаете — не будет проблем в дальнейшем.

Поз. Обозн.НаименованиеКол-воПримечание
C1330.0x25V1
C2,C5,C8,C11,C18,C270.47x63V6С5,С8,С11 - требовательны к импульсному току
C3,C4,C6,C7220.0x35V4
C9,C10,C14,C19..C261000.0x6.3V11
C12,C13,C15..C17,C28,C29470.0x16V7
R1,R5,R7,R8,R10,R12,R151k7
R2..R4,144k74
R61k51
R910k1
R11101
R1339k1
R162k1
R172201
VD1,VD9HER1022
VD2,VD3,VD101N53513
VD41N53411
VD51N53371
VD6BZV85C5V11Стабилитрон 5.1В
VD7,VD81N41482
VT1IRF49051TO-220
VT2,VT3IRL37132TO-220
VT4..VT6BC3273TO-92
VT7BC3371TO-92
A1STEPDOWN 12V1
A2STEPDOWN 5V1
A3STEPDOWN 3.3V1
DA1LM78121TO-220
DA2TPS3510P1DIP8, замена - WT7510
DA3LM25751TO220-5
F1,F3..F55A4Автомобильный предохранитель
F2,F71A2самовосстанавливающийся
F63A1самовосстанавливающийся
L1,L2чего не жалко2Выковырял с сетевого фильтра
L3220мкГн1
X1PZK3000-21Пружинный клеммник

Рисунок 5 — Плата блока питания.

Рисунок 5 — Плата блока питания.

Схемы, выложенные на этой странице, я на всякий случай продублировал в виде PDF-файла, а платы для желающих повторить выкладываю в наиболее универсальном формате - gerber.

Заключение

Правильно собранное устройство в наладке практически не нуждается. Единственное, что нужно сделать — это подобрать резисторы для обратной связи в модулях преобразователя. Представленный на фото ниже образец работает у меня с начала августа 2011г и ни разу не ломался. Сломается — напишу :)

Рисунок 6 — Фото: вид спереди.

Рисунок 6 — Фото: вид спереди.

Рисунок 7 — Фото: вид сверху.

Рисунок 7 — Фото: вид сверху.