Источники питания индустриальных компьютеров форм-фактора ITX

В статье рассматриваются простые в практической реализации источники питания для индустриальных компьютеров форм-фактора mini-ITX с формированием напряжений от шин DC.

Индустриальные компьютеры — это уже обычная часть современных устройств автоматики. Наиболее распространенными, ввиду своей универсальности, в настоящее время являются экономичные по энергопотреблению, но мощные по производительности индустриальные компьютеры на материнских платах (mainboard) форм-фактора ITX (см. фото). Этот форм-фактор был разработан компанией VIA Technologies (Тайвань). Размеры этих материнских плат существенно меньше, чем плат форм-фактора АТХ, всего 170×170 мм. Энергопотребление для компьютеров форм-фактора mini-ITX в самой полной комплектации с подключенной через USB периферией не превышает 20…30 Вт. Важно, что при этом материнские платы форм-фактора ITX сохраняют полную электрическую совместимость по разъему питания с форм-фактором АТХ 2.2.

Питание индустриальных компьютеров наиболее часто осуществляется от стандартных АТХ источников питания. Аргумент «за» — это просто, доступно и не очень дорого. Теперь аргументы «против».

Во-первых, схема стандартная источника питания АТХ имеет излишества, которые вряд ли необходимы для данного конкретного применения.

Во-вторых, какой смысл в еще одном AC/DC-ис-точнике питания для компьютера, если уже есть AC/DC-источник питания для остальных частей изделия? Кроме дополнительных затрат и неудобств в организации цепей питания, это приводит к необходимости выполнить еще ряд требований, а именно: по электромагнитной совместимости (импульсные источники питания — это один из основных источников индустриальных и радиопомех) и безопасности изделия. Необходимо учитывать, что в любом серийном AC/DC-источнике питания имеются сетевые фильтры, и, соответственно, при установке двух таких источников токи утечки удваиваются, а это не всегда приемлемо.

В-третьих, конструкция АТХ-источника питания стандартизована, не малогабаритная, обычно с вентилятором и с массой не всегда нужных кабелей. Вам придется подгонять под нее конструкцию своего изделия. Если выбирается материнская плата персонального компьютера без принудительного охлаждения (чтобы избежать обслуживания вентилятора и чистки платы от всосанной вентилятором пыли), то зачем использовать стандартный источник питания с вентилятором? Индустриальные системы электроники обычно работают в неблагоприятных условиях, и регламентные работы с вмешательством в цепи питания ни к чему хорошему, как правило, не приводят.

Выход в такой ситуации — это разработка источника питания, который будет оптимально вписываться в общую конструкцию изделия и может работать не от сети напряжения переменного тока, а от уже имеющихся в оборудовании шин напряжения постоянного тока. Насколько это сложно? Рассмотрим это на практических примерах.

Напряжения питания и сигнальные цепи

Стандарт АТХ (основная текущая версия 2.2) [ 1 ] накладывает ряд ограничений на допустимые отклонения по уровням и качеству питающих напряжений (таблица).

Шина, В	Допустимое отклонение	Диапазон напряжений	Уровень пульсации (размах амплитуды)
+5	±5% (±0,25 В)	От +4,75 В до +5,25 В	50 мВ
+12	±5% (±0,60 В)	От+11,40 В до+12,60 В	120 мВ
-12	±10% (±1,20 В)	От-10,80 В до-13,20 В	120 мВ
+3,3	±5% (±0,165 В)	От +3,135 В до+3,465 В	50 мВ
+5 (ЭВ)	±5% (±0,25 В)	От +4,75 В до +5,25 В	50 мВ

Примечание. +5(SВ) — это дежурное напряжение +5 В, которое постоянно подается на материнскую плату.

Кроме силовых цепей в разъеме АТХ имеются сигнальные цепи:

• PS_ON# (PS-ON) или Power On — это сигнал, поступающий от материнской платы к источнику питания. Когда эта цепь замыкается на общий провод (GND), то этим обеспечивается включение компьютера.
• PWR OK (PW_OK) или Power Good — это сигнализация от источника питания, которая указывает, что все его основные напряжения стабилизировались (переходные процессы закончились) и находятся на заданном уровне (слежение обеспечивается супервизором источника питания). Эта цепь остается в состоянии лог. «О» в течение 100.. .500 мс после того, как цепь PS_ON# была замкнута на общий провод.

Величина энергопотребления

Что еще нужно учитывать при их проектировании? Необходимо учитывать собственное энергопотребление материнской платы, ее оснащение (модули памяти, HDD и пр.), а также подключенного периферийного оборудования. Что имеется в виду? Как известно, от каждого порта USB 2.0 может быть взят ток до 0,5 А, а использование USB портов не только для организации связи, а и для питания внешних устройств достаточно часто используется на практике. К сожалению, определение ожидаемой максимальной мощности не является простой задачей. Изготовители плат неохотно делятся информацией об их энергопотреблении, ограничиваясь маркетинговыми определениями. Однако, как правило, эту информацию можно получить по запросу у изготовителей или из ОЕМ-спецификаций.

Теперь обратимся к схемотехнике АТХ источников питания с запиткой от шин DС. Вариантов построения может быть множество, поэтому рассмотрим практические примеры их организации, что позволит проектировщику выбрать оптимальное решение.

Супервизор

Сердцем источника питания для любого индустриального, и не только, компьютера является, так называемый, супервизор, т.е. ИМС, которая следить за уровнями питающих напряжений, принимает и выдает управляющие команды по определенному алгоритму. В своих проектах автор использовал недорогой и доступный супервизор TPS3510D (Texas Instruments) [2]. Основные его особенности:

• защита от перенапряжений для шин 12 В, 5 В, 3,3 В с блокировкой;
• защита от пониженного уровня напряжения для шин 5 В и 3,3 В с блокировкой;
• выход FPO (сигнализация аварии, блокировка);
• выход сигнала Power Good (PGO) для шин 3,3 В и 5 В;
• задержка команды Power Good 300 мс (при использовании TPS3511 — 150 мс);
• задержка 75 мс сигнала аварии по шинам 5 В и 3,3 В в случае короткого замыкания (предотвращение случайного отключения);
• управление по команде PS_ON с 2,3 мс с задержкой по FPO отключению;
• управление по команде PS_ON с 38 мс с подавлением дребезга контактов;
• встроенные противодребезговые триггеры;
• широкий диапазон напряжений питания ИМС от 4 В до 15 В.

Использование супервизора TPS3510D значительно облегчает построение такого специфического устройства, как источник питания индустриального компьютера. Основываясь на опыте автора статьи, оптимальной, но несколько отличающейся от стандартной [2], является схема включения супервизора, показанная на рис.1.

В начальном состоянии на схему супервизора подается только дежурное напряжение +5V_SB. Оно подается на DA1 через диод VD2, и схема находится в режиме ожидания и готовности источника питания принять команду на включение компьютера. Об этом состоянии указывает светодиод HL2 красного цвета свечения. Такая индикация удобнее стандартной с одним индикатором, подключенным к разъему материнской платы. Такой индикатор укажет лишь на включение компьютера, а не на его готовность к включению. Предложенная на рис.1 индикация полезна при настройке и при поиске неисправностей. После поступления команды включения PS_ON на ИМС супервизора он выдает команду на включение напряжения + 12V. После включения напряжения + 12V питание супервизора переключается уже на эту шину через диод VD1. Напряжения шины +12V через делитель R2R3 подается на вход PGI супервизора DA1 и анализируется.

Величина напряжения на входе PGI супервизора должна установиться на уровне не ниже, чем 1,15 В [2]. В рассматриваемой схеме при +12 В, на этом выводе ИМС должно быть >1,28 В. Если это требование выполняется, то супервизор оставляет включенной шину +12 В. Если нет — супервизор снимает команду, разрешающую его включение. После включения напряжения +12 В включается напряжение +3,3 В и, с некоторой обязательной задержкой, основное напряжение +5 В. Если внутренние анализаторы супервизора подтвердят, что и эти напряжения лежат в пределах заданных значений (см. таблицу), то тогда уровень напряжения на выходе PGO супервизора изменится с низкого (L) уровня на высокий (Н). Это дастин-формацию о готовности компьютера к работе (более подробно см. [2]). О включении компьютера укажет индикатор HL1 (Green) зеленого цвета свечения, красный индикатор HL2 будет погашен.

Время анализа для TPS351 OD составляет 300 мс. Если в течение этого времени не будет достигнут положительный результат, то супервизор выключит напряжение +12 В, выдаст команду об аварии и заблокирует схему источника питания. Сбросить ее (сделать Reset) можно только общим выключением. Если для вашего компьютера такое время неопределенного состояния недопустимо, можно использовать другой супервизор, например, TPS3511 из этой же серии [2]. Его время анализа 150 мс. В качестве диодов VD1, VD2 можно использовать и маломощные кремниевые диоды, например, BAS32L, главное, чтобы падение напряжения на диоде VD2 не превышало 0,5 В [2].

Теперь рассмотрим два практических примера собственно схемотехники источника питания. Если в изделии имеется несколько подходящих по напряжению и качеству шин постоянного тока, то их можно использовать непосредственно. Пример такой реализации показан на рис.2. Это схема источника питания центрального компьютера, разработанного автором статьи для сложной системы встраиваемой электроники.

Устройство с несколькими входными напряжениями

Часть напряжений постоянного тока получены непосредственно от источника питания LPQ152-C (150 Вт, Emerson Network Power) [3]. Этот источник питания обеспечивает соответствующие требованиям спецификации АТХ [1] напряжения +5 В, +12 В и -12 В.

Как видно из рис.2, схема источника питания достаточно проста. Дежурное напряжение +5V_SB взято непосредственно от шины +5 В источника питания LPQ152-C. Оно поддерживает в дежурном состоянии супервизор. После получения команды PS ON (включение) от компьютера супервизор открывает ключ на транзисторе VT1, через который подается напряжение +12 В. Этим напряжением открывает ключ на транзисторе VT2, который подает на материнскую плату компьютера напряжение -12 В, и с некоторой обязательной задержкой (определяется элементами R2, С4) открывает ключ на транзисторе VT3. Через этот ключ с входной шины +5 В на материнскую плату компьютера подается основное напряжение +5 В. Время задержки подачи этого напряжения зависит от типа материнской платы. В рассматриваемых вариантах задержка включения установлена приблизительно 20 мс.

Напряжение +5 В поступает также на ИМС стабилизатора напряжения DA1, который формирует последнее из необходимых для работы компьютера напряжение +3,3 В. ИМС стабилизатора напряжения DA1 — это мощный компенсационный стабилизатор LM1084IT-3.3 (Texas Instruments) [7] с малым собственным падением напряжения. Решение простое, недорогое в реализации, не создает радиопомех, но требует небольшого радиатора. ИМС LM1084IT-3.3 должна быть установлена на радиатор или через специальную теплопроводящую изоляционную прокладку, или её радиатор должен быть изолирован от общего провода устройства. Диод VD2 обязателен, он защищает ИМС LМ1084IТ-3.3 от воздействия обратных токов, возникающих при выключение компьютера из-за разряда его конденсаторов по шине 3,3 В.

Разьем Х2 — технологический. При проверке платы источника питания для его включения без участия материнской платы компьютера на него ставится перемычка. Это позволяет включить и проверить источник питания без его подключения к компьютеру. Через разъем ХЗ подаются питающие напряжения на ряд составных узлов изделия. Как видно из схемы все эти напряжения будут поданы только после включения центрального компьютера. Тем самым, не требуется дополнительных источников питания и цепей управления. Именно поэтому в качестве ключей VТ1, VTЗ применены транзисторы с большим рабочим током — IRF4905 и IRF3205, которые имеют малое сопротивление канала в открытом состоянии и установки на радиаторы не требуют.

Устройство с одним входным напряжением

Если в изделии нет развитых шин напряжений постоянного тока, а есть одна достаточно мощная шина DC, например, +12 В. В таком случае для преобразования этого напряжения в напряжения, соответствующие спецификации АТХ, лучше всего использовать импульсные DC/DC-преобразо-ватели. Их расчет можно провести в системе WEBENCH Design Center от Texas Instruments [4]. При проектировании нужно учитывать весь диапазон возможных изменений токов при работе компьютера в реальном изделии. В противном случае преобразователь может в некоторых ситуациях выйти из режима стабилизации, и супервизор сбросит питающие напряжения по сигналу аварии. Важен также правильный выбор ИМС, они должны быть с опцией дистанционного включения. Это обеспечит необходимую очередность включения напряжений без дополнительных мощных ключей и позволит исключить недопустимую работу преобразователя в режиме «холостого хода». Схема такого варианта источника питания показана на рис.3. Такая схема использовалась автором в ро-бототехническом оборудовании с непрерывным длительным циклом работы.

Как видно из рис.3, все необходимые напряжения формируются от одной входной шины постоянного тока напряжением +12V main. Это же напряжение используется и для формирования напряжения +12V для компьютера. Дежурное напряжение +5VSB формирует понижающий DC/DC-преобразователь DA3 непосредственно от входной шины постоянного тока. Оно поддерживает в дежурном состоянии супервизор (рис. 1). После команды на включение компьютера PS_ON супервизор дает команду ON/OFF на подачу напряжения + 12 В. Открывается ключ на транзисторе VT1, и запускаются два DC/DC-преобразовате-ля. Понижающий преобразователь на ИМС DA1 формирует напряжение +3,3V, а инвертирующий преобразователь на DA2 — напряжение -12 В (-12V). Это же напряжение (+12 В) открывает с задержкой (определяется элементами R5, С15) ключ на транзисторе VT3. На материнскую плату компьютера подается основное напряжение +5V. В качестве DC/DC-преобразователей используются хорошо себя зарекомендовавшие ИМС типа LM2576T-3,3, LM2576T-5,0 и LM2574M-12. Преобразователи типа LM2576T удобны тем, что имеют достаточно высокий КПД, мощность и могут, при необходимости, устанавливаться на шасси без изолирующих прокладок, чтобы использовать его в качестве теплоотвода.

Для понижения уровня пульсаций использованы дополнительные LC-фильтры по выходу DC/DC-преобразователей. Добавочные резисторы R1, R4 нужны для коррекции выходных напряжений преобразователей DA1, DA3. Они повышают уровни выходных напряжений преобразователей примерно на 0,15 В. Разъем Х2, как и в предыдущем примере, используется для включения источника питания при проверке платы. Однако плату по схеме рис.3 проверять на «холостом ходу» нельзя, она не включится. Супервизор сбросит включение и защелкнется. При проверке схемы рис.3 необходимо обеспечить минимальную токовую нагрузку для преобразователей. Как видно, и такой вариант исполнения источника питания для индустриального компьютера не является сложным.

Если есть угроза просадок напряжения по входной шине +12 В, то эта проблема может быть устранена добавкой каскада, показанного на рис.4. При этом номинал резистора И2 в схеме супервизора (рис.1) должен быть уменьшен до 8,2 кОм. Это позволило учесть падение напряжения на диоде VD4 (рис.4), который предотвращает разряд входных емкостей источника питания через внешние цепи изделия.

Если в оборудовании нет достаточно мощной шины напряжения постоянного тока +12 В, а есть, например, шина +24 В, то достаточно добавить в схему еще один DC/DC-преобразователь с выходным напряжением +12 В и с соответствующим управлением.

Если у вас еще остались сомнения в целесообразности использования предложенного подхода к организации питания индустриальных компьютеров или предложенные решения кажутся слишком сложными для их практической реализации, то посмотрите на схемы стандартных АТХ источников питания [5].

Литература

1. ATX Specification, Version 2.2, 2003-2004 Intel Corporation. — http://www.formfactors.org/develop-er%5Cspecs%5Catx2_2.pdf
2. TPS3510, TPS3511 PC Power Supply Supervisors, 2012, Texas Instruments Inc. -http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps3510.pdf
3. 50 Watts LPQ150 Series, Emerson Network Power, rev 12.10.03.
4. Рентюк В. Проектирование импульсных DC/DC-преобразователей в системе WEBENCH Design Center//Электрик. — 2013. — №10.
5. http://bp.xsp.ru/circuit.php
6. LM1084 5А Low Dropout Positive Regulators, Texas Instruments Inc., March 2013. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm1084.pdf

Автор: Владимир Ренткж, г. Запорожье

Источник: Радиоаматор №3, 4,  2015