Микроконтроллер SG6105D и его применение в блоках питания компьютеров

Защита источника питания от различных типов неисправностей (превышение заданного уровня напряжения, короткое замыкание в нагрузке и др.) является отличительной чертой современных источников питания компьютеров. Эти системы защиты можно реализовать различными способами с помощью большого числа дискретных элементов, при этом они занимают много места на плате и только усложняют его ремонт. Описываемая в статье микросхема SG6105D представляет собой тот тип микросхем для источников питания с ключевым режимом работы, в которых элементы защиты расположены внутри чипа.

Эта микросхема применяется, например, в источнике питания COLORSi модели 300V-FNM. Общие сведения. Основное применение микроконтроллера SG6105D (System General) — блоки питания настольных компьютеров типа PC ATX. В отличие от традиционно используемой TL494, эта интегральная микросхема (ИМС) выполняет функции не только ШИМ-контроллера, но и элементов защиты выходных цепей, шунтовых регуляторов типа TL431 при меньшем числе дискретных компонентов. В состав ИМС введен новый АС-сигнал, поступающий от модулирующей цепи и предупреждающий о неисправностях в первичной сети, которого достаточно для выключения формирователя P.G. Таким образом, микросхема способна обеспечить все функции, необходимые для контроля и управления выходными напряжениями источника питания данного типа.
Состав. В микросхеме кроме традиционного ШИМ-регулятора встроены элементы дистанционного управления (PC ON/OFF), формирователь «Напряжение питания в норме» (P.G.), элементы цепей защиты от превышения и перегрузки выходных каналов источника питания. Структура данной ИМС показана на рис.1, а функциональное назначение выводов приведено в табл.1.
 
 
Особенность SG6105D заключается в том, что датчики всех выходов источника, используемых в системе защиты от превышения напряжения, могут подключаться непосредственно к микросхеме без внешних делителей.
Питание микросхемы Vcc осуществляется постоянным напряжением, подаваемым на вывод 20, величина которого должна находиться в пределах 4,5…5,5 В, рекомендуется подключение к источнику 5B_Sb.
Два внутренних точных шунтовых регулятора типа TL431 обеспечивают прецизионным стабильным напряжением выходные каскады регуляторов 3,3 В и цепи источника питания дежурного режима5B_Sb. Рекомендуемое напряжение питания шунтовых регуляторов (выводы 11, 14) 4…16 В. Если напряжение питания превысит +7 В, то в микросхеме отключатся все формирующие цепи, включая и шунтовые регуляторы.
Встроенный таймер генерирует сигналы управления, имеющие точную временную расстановку, которые и управляют всеми цепями микросхемы, в том числе и задержкой выключения источника питания. В секцию ШИМ-модулятора входят генератор с частотой 65 кГц, который не подвержен влиянию интерференционных полосовых шумов, а также усилители ошибки и выходные каскады для управления полумостовым преобразователем.
Наличие цепей защиты позволяет стремительно уменьшить нагрузку на мощные силовые транзисторы полумостового
преобразователя путем управления ШИМ-регулятором в случае неисправностей в силовых цепях, что исключает насыщение ключевого трансформатора. Действие элементов защиты показано на рис.2 и рис.3.
 
 
 Микросхема включает 4-канальный монитор напряжений, контролирующий основные силовые цепи, а также питание дежурного режима 5B_Sb. Защита от превышения напряжения по силовым цепям +3,3, +5, +12 В осуществляется без дополнительных элементов. Установленные в ИМС пороговые уровни срабатывания системы защиты равны 4,1; 6,1; 14,5 В соответственно.
В микросхеме предусмотрена защита источника от перегрузок в силовых цепях — Over Power Protection. Эта система
обеспечивает защиту от перегрузок и коротких замыканий. Защита функционирует при условии подключения вывода ОРР к трансформатору управления или трансформатору тока. Если же напряжение на входе ОРР (вывод 4) превысит 2,1 В на время, превышающее 7 мс, то сигнал P.G. снимется, а выходные напряжения отключатся.
Кроме того, источник имеет защиту отрицательных напряжений — Negative Voltage Protection (12 и 5 В) от уменьшения
напряжения. Эта ситуация имеет место при перегрузках в цепях отрицательного напряжения питания, если, например,
напряжение изменится от 12 до 10 В. Порог защиты определяется током, протекающим через резистор, подключенный к выводу NVP микросхемы. Как и в случае защиты от перегрузки в силовых цепях (вывод ОРР), сигнал P.G. будет снят, если напряжение на выводе NVP превысит пороговое значение 2,1 В в течение 7 мс.
В микросхеме использована система защиты в цепи переменного напряжения (UVAC). Детектор неисправностей цепей переменного напряжения (вход UVAC) подключается к сети переменного тока через резисторный делитель ко вторичной цепи силового трансформатора. Если в течение 200 мс напряжение на этом входе меньше 0,7 В, сигнал P.G. отключается, сигнализируя, что имеется неисправность в первичной сети переменного тока. Как известно, величина напряжения, действующего во вторичной сети, определяется сетевым напряжением. Коэффициент деления резисторов, подключенных к выводу UVAC (н.5), определяет порог срабатывания защиты, а конденсатор малой емкости фильтрует
шумы переключения.
Временная расстановка срабатывания цепей защиты приведена в табл.2.
 
Сигнал «Питание в норме» P.G. свидетельствует о том, что напряжение источников +3,3, +5, +12 В превышает нижний
пороговый уровень. При включении этот вывод рекомендуется подключать к источнику +5 В через резистор сопротивлением 2 кОм.

Дистанционное управление источником питания осуществляется только лишь при подсоединенном входе PSON. Низким уровнем этого сигнала осуществляется запуск (включение) источника питания, а высоким — выключение. Наличие всех этих цепей и обеспечивает минимальное число внешних компонентов для управления полумостовым преобразователем.

Контроль работоспособности. Типовая схема включения микросхемы SG6105D показана на рис.4.
 
 Поскольку импульсный сигнал на выходе микросхемы присутствует только на выводах управления пушпульным каскадом ОР1, ОР2 (выводы 8,9), а остальные являются потенциальными, то проверку функционирования микросхемы рекомендуется проводить вольтметром.
 
 В табл.3 приведены напряжения на выводах микросхемы SG6105D, которые были измерены автором и соответствуют напряжениям на выводах микросхемы с исправным источником питания при выдаче напряжений в облегченном режиме (малая нагрузка, не превышающая 10% от номинальной). Поиск неисправностей следует проводить путем сравнения измеряемых напряжений с напряжениями, указанными в табл.3.

Необычный блок питания на микроконтроллере

Этот блок питания от большинства других, описываемых в интернете, отличается методом понижения напряжения и компактной формой корпуса.


На самом деле, это не полноценный блок питания, а понижающий преобразователь напряжения. В качестве DC-DC используется преобразователь на микросхеме LM2576, управляемый микроконтроллером. В блоках питания с микроконтроллерным управлением, конструкции которых обычно описываются в интернете, понижение напряжения обычно производится линейным методом — вся лишняя мощность в таких блоках питания рассеивается радиатором мощного транзистора.
Использование преобразователя DC-DC позволяет отказаться от использования большого радиатора. В случае, если нагрузка не требует высокого напряжения, то для обеспечения большого тока можно использовать слаботочный первичный блок питания, но способный выдавать более высокое напряжение (обычно я использую первичный блок питания 24 В, 0.8 А).
Так как большой радиатор в этом блоке питания не нужен, то корпус удалось сделать максимально компактным. Для того, чтобы блок питания занимал меньше места в шкафу, передняя панель сделана откидной.
Недостаток же DC-DC — относительно высокий уровень шумов по питанию (это важно при работе со слабыми сигналами).

Зачем нужно микроконтроллерное управление напряжением? Напряжение на выходе такого блока питания можно точно устанавливать энкодером, при этом регулировку напряжения можно временно заблокировать (чтобы случайно не сбить напряжение, и не сжечь устройство, зацепив ручку энкодера). Дискретность установки напряжения можно менять. Можно управлять напряжением, в зависимости от тока (для заряда аккумуляторов).

Характеристики получившегося блока питания:
Напряжение питания: 7-35 В.
Выходное напряжение: 1.3 — 30 В
Максимальный ток: 3 А
Дискретность установки напряжения: 0.1 В
Дискретность отображения тока: 0.01А (в блоке питания нет стабилизации тока)
Защита от КЗ.

Блок питания разбит на две части (силовую и цифровую), которые сделаны на отдельных платах.
Схема блока питания (силовая часть):

Обвязка LM2576 или LM2596 стандартная — из даташита. Дроссель L1 в данном блоке питания взят из блока питания принтера (там был DC-DC), маркировки на нем не было. Вообще, микросхема LM2576 нетребовательна к дросселю. Параметры дросселей для конкретных токов и напряжений даны в даташите.
Резистор R9 используется для быстрого разряда конденсатора при отключении напряжения.
Для управления напряжением с микроконтроллера используются ОУ U1. U1B повышает напряжение (3 В > 30В), U1A замыкает обратную связь DC-DC, и позволяет регулировать напряжение на выходе.
На ОУ U3 собран узел измерения тока. Стабилитрон D2 защищает микроконтроллер от скачков напряжения, вызываемых скачками тока (например, при КЗ во время разряда конденсатора).

Схема цифровой части:

Тут все довольно стандартно. Питание цифровой части (5В) обеспечивается от отдельного DC-DC — так как входное напряжение может быть большим, то обычные линейные стабилизаторы могут греться, а места под радиатор в корпусе нет. Внимание — линии VCC у цифровой и силовой части разные.
Напряжение для управления DC-DC формируется при помощи ШИМ, и фильтруется ФНЧ на R12,R13,C2,C3.
Транзистор Q1 и его обвязка служат для формирования напряжения 12 В для подсветки индикатора (повышающий преобразователь).

Резистор R9 задает ток срабатывания защиты от КЗ (используется компаратор контроллера).
Кнопки, индикатор, энкодер устанавливаются в передней панели. Для защиты от дребезга выводы энкодера соединяются через конденсаторы 0,01 мкФ с землей.

Фото готового блока питания :

Пример установки фьюзов для AVR Studo:

Описание работы с блоком питания.

При включении блока питания, на индикаторе несколько секунд отображается величина входного напряжения и номер прошивки. После этого блок переходит в режим отображения главного меню — здесь при помощи энкодера нужно выбрать один из 6 режимов. Выбор режима производится кнопкой «Выбор» S3, возвращение в главное меню из любого выбранного режима — кнопкой «Меню» S4. При переходе в главный режим питание нагрузки отключается.

Наиболее часто используемый режим — «Точный», предлагается первым. В этом режиме дискретность установки напряжения — 0.1 В.
На самой верхней строчке отображается желаемое напряжение, которое и устанавливается энкодером. В центре экрана — потребляемый нагрузкой ток. Внизу — напряжение на выходе блока питания, измеренное АЦП (требуемое и желаемое напряжения могут немного различаться при большом токе или высоких напряжениях).

Красная кнопка слева S1 управляет подачей напряжения на нагрузку. Короткое нажатие на нее либо включает нагрузку, либо перезагружает ее (DC-DC остается отключенным до тех пор, пока конденсатор на выходе блока питания не разрядится). Длительное нажатие на кнопку отключает нагрузку.
Нажатием кнопки «Выбор» можно включить или отключить блокировку энкодера, при блокировке около значения желаемого напряжения появляются скобки.

Нажатием кнопки «Грубо» S2 можно управлять дискретностью установки напряжения (шаг установки напряжения становится равным 0.5 В).
Режим работы «Грубый» полностью аналогичен предыдущему, но в нем шаг установки напряжения всегда равен 1 В.

Режим работы, обозначенный в меню «Аккум.», предназначен для зарядки свинцовых аккумуляторов. Нажимая кнопку «Выбор», при помощи энкодера последовательно вводят значения начального напряжения, конечного напряжения, и максимального тока. После этого начинается заряд аккумулятора. Блок питания постепенно поднимает напряжение на выходе от начального до конечного. Если ток превышает установленный, то подъем напряжения прекращается.
В режиме заряда на верхней строчке отображается напряжение на выходе блока питания (измеренное АЦП), в центре — ток, внизу — напряжение, которое ожидается на выходе блока питания.
Режим работы «Конст.» аналогичен режимам грубой и точной установок, но в нем при помощи энкодера выбираются стандартные значения напряжений — 3.3; 5; 7; 9; 12 В
Режим работы, обозначенный в меню «Стат.» — отображаются константы, записанные в EEPROM. Можно просматривать суммарное время работы блока питания, и коэффициенты коррекции, используемые для расчета значения тока.

Режим работы, обозначенный в меню «Калиб.» — определение коэффициентов коррекции при измерении тока. Так как у ОУ имеется напряжение смещения, то для большей точности измерения тока приходится измерять эти коэффициенты.
Для измерения коэффициентов к блоку питания через амперметр нужно подключить нагрузку, способную выдержать ток до 1 А. Я использовал достаточно мощную автомобильную лампочку.
После нажатия кнопки «Выбор» энкодером нужно установить на выходе блока такое напряжение, при котором ток через нагрузку будет наиболее близок к 0.1 А, затем еще раз нажав «Выбор», устанавливают ток равным 1 А. После третьего нажатия на кнопку контроллер рассчитывает значения коэффициентов и сохраняет их в EEPROM, после чего происходит переход в главное меню.

Защита от КЗ — срабатывает во всех режимах по прерыванию от встроенного в контроллер компаратора, при этом подача питания на нагрузку отключается, на экран выводится сообщение. Через 0.5 сек производится проверка — на нагрузку подается напряжение 1.3В, если ток при этом превысит 3А, то защита отключается, иначе процесс повторяется.

Настройка блока питания при сборке.

Так как конструкция у меня состоит из двух частей, то и собиралась она последовательно. Сначала собирается силовая часть. После сборки резисторы R2, R10 устанавливаются в нижнее по схеме положение. Это обеспечит защиту контроллера от перенапряжения при последующем подключении. После установки перемычки J1 и подачи напряжения на вход силовой части, проверяют ее работоспособность — на выходе DC-DC должно быть напряжение не менее 1.3 В, которое должно изменятся при подаче внешнего напряжения на линию VOLT_CTRL. DC-DC должен обеспечивать нужный ток.
Затем собирается цифровая часть. Наладки она не требует (возможно, потребуется поменять выводы энкодера местами).
Сначала настраивается индикация входного напряжения (резистором R2). Для контроля правильности настройки придется включать и отключать первичный блок питания. Последующая настройка идет в точном режиме.
Далее настраивается коэффициент усиления ОУ, отвечающего за установку напряжения. Энкодером нужно установить нужное напряжение, например 10 В, подключить к выходу блока питания мультиметр, и поворачивая резистор R1, добиться совпадения напряжений на экране (желаемого) и мультиметре. После этого, поворотом резистора R10 добиваются совпадения напряжений на экране (действительного) и мультиметре.
После этого к выходу блока питания подключают нагрузку и амперметр, энкодером устанавливают такое напряжение, при котором ток в нагрузке близок, например, к 1 А, и поворотом резистора R12 устанавливают такое же значение тока на экране. После этого нужно произвести определение коэффициентов тока, как описано выше.

Резистор R9 на цифровом блоке используется для установки тока срабатывания защиты от КЗ. После подключения к блоку питания нагрузки, способной выдержать ток 3 А, и установки нужного напряжения, подстраивают резистор, добиваясь срабатывания защиты.

В случае одиночной платы при настройке прибора важно контролировать положения резисторов R2, R10, чтобы напряжения на их выходах не превышали 5 В.