Guide: Anatomien til en PSU - del 2
Innhold
Introduksjon
Anatomien bak en strømforsyning er veldig kompleks, og krever en god del forklaring. I den første delen av denne guiden tok vi deg med gjennom den generelle oppbygningen til en strømforsyning av typen "switchmode". Vi gikk detaljert gjennom det transietelle filteret, spenningsdobleren og til slutt likeretteren.
Det er nå tid for å ta en nærmere titt på de litt mer avanserte kretsene i en strømforsyning. Det vi nå skal gå igjennom er den aktive PFC-kretsen, selve switchingen, filtreringen og mye mer.
En strømforsyning er som sakt en ganske kompleks enhet, så vi har sett oss nødt til å gå litt frem og tilbake på enkelte emner. Du vil ofte få mye mer ut av denne guiden som du leser den minst to ganger, noe vi anbefaler deg å gjøre.
Vi gjør oppmerksom på at i denne guiden vil vi ta opp emner som kan føre til personskader, eventuelt med døden til følge, hvis man ikke er forsiktig og gjør ting rett. Hardware.no tar ikke ansvar for skader som følge av denne artikkelen eller andre artikler publisert på dette nettstedet. Vær alltid varsom, og bruk sunn fornuft. Merk også at du i de fleste tilfeller bryter garantien om du åpner en strømforsyning.
Aktiv PFC
Hva en PFC-krets er gikk vi igjennom i den første delen av denne guiden. Kort fortalt så har denne ikke noe å si for strømforsyningens ytelse, men den reduserer varmetapet i ledningsnettet i huset. Den sørger for at strømforsyningen trekker mindre reaktiv effekt, en strømtype som ikke gjør noe nyttig.
Slike kretser er påbudt for alle elektroniske kretser som trekker mer enn 70 W, som har en motorer og/eller transformatorer. Det finnes to slike kretser, henholdsvis aktive og passive PCF-kretser.
Strømforsyninger som har en aktiv PFC-krets har ikke en spenningsdobler, og de har derfor ikke den røde bryteren på baksiden av strømforsyningen.
Kretsen
Den aktive PFC-kretsen begynner der transientfilteret slutter. Først går strømmen igjennom en
likeretter
, hvor vekselspenningen konverteres til likespenning. Hele kretsen styres av en integrert krets, som vi kommer tilbake til.
I de fleste tilfeller finner vi to effekt MOSFET-transistorer (T1 og T2). Det er disse som er skrudd fast til kjøleribben vi finner på primærsiden av strømforsyningen. På denne kjøleren finner vi også PFC-dioden.
Dioden i kretsdiagrammet (D5) er en effektdiode, og har en ganske lik innpakning som effekttransistorene, bortsett fra at den har kun to pinner. Spolen (L1) er den fysisk største spolen i strømforsyningen, den er ofte mer enn dobbelt så stor som andre spoler i strømforsyningen.
Kondensatoren C1 er den kondensatoren vi snakket om i del 1 av denne guiden, under temaet "spenningsdobler". Oppgaven til C1 er å glatte ut den massive rippelen som oppstår etter likerettingen i diodebroen (D1-D4).
Motstanden, RV1, er en NTC-motstand. Dette er en ulineær motstand hvor resistansen minsker når temperaturen øker. I ledninger slik som vi finner i spoler, øker motstanden når temperaturen øker. Dette fører til at spenningen ut fra strømforsyningen synker. NTC-motstandens skal hjelpe halvlederne å kompensere for det temperaturavhengige spenningstapet i metaller, slik som det vi finner i spoler, slik at utspenningen ikke påvirkes av temperaturen i strømforsyningen.
Selve hjertet i en aktiv PFC-krets er kontrollkretsen. Denne kommer i form av en integrert krets, og er ofte en kombinasjon av PWM-kretsen og PFC-kretsen. I slike tilfeller kalles kretsen PFC/PWM-Combo.
Switching-transistorene
Vi beveger oss over på det viktige med en switchmode-strømforsyning, nemlig switchingen. Her benyttes det en rekke ulike konfigurasjoner, faktisk hele fem stykker. Under har vi satt opp disse i en tabell, sortert etter komponentene som er benyttet. Vi har også tegnet opp kretsskjemaer for hvordan komponentene er koblet sammen.
Denne tabellen er kun en fremstilling av antall komponenter vi finner i selve switching-kretsen. Det er også andre aspekter inne bildet når det gjelder hvilken av kretsene en strømforsyningsprodusent velger. Vi har valgt å bruke de engelske navnene her, fordi det å oversette de til norsk vil skape mye forvirring.
| Antall transistorer | Antall dioder | Antall kondensatorer | Antall pinner på transformatoren | |
| Push-pull | 2 | 0 | 0 | 3 |
| Half bridge | 2 | 0 | 2 | 2 |
| Full bridge | 4 | 0 | 0 | 2 |
| Single forward | 1 | 1 | 1 | 4 |
| Doubble forward | 2 | 2 | 0 | 2 |
De to mest brukte oppsettene er "dobbel forward" og "push-pull". Alle transistorene, uavhengig av oppsett, er festet til kjøleribben på primærsiden av strømforsyningen. På bildet over ser vi kjøleribben fra en strømforsyning som benytter seg av "dobbel forward". Her sitter det to transistorer, og som vi ser er det ikke plass til flere. I tilfeller der det benyttes "full bridge"-oppsett, med fire transistorer, benyttes baksiden av kjøleribben.
Dette er som sagt de fem grunnleggende designene. Det som omtales som "sekundærsiden" i kretsskjemaene er sekundærsiden på strømforsyningen. En isolator er enten i form av en ekstra transformator eller en optokobler. En optokobler inneholder en lysdiode og en fotoelektrisk transistor som ikke er fysisk koblet sammen. Siden de ikke er fysisk koblet sammen, fungerer den som en isolator på lik linje med en transformator.
Transformatorer og PWM
Transformatorer
Mellom de to kjøleribbene finner vi to eller tre transformatorer. Den største er primærtransformatoren, det er her hovedlinjene(+12 V, +5 V og +3,3 V) kommer fra. Den andre transformatoren brukes for å generere +5 Vsb-linjen. Grunnen til at denne linjen har en helt egnen transformator, er fordi den alltid skal være aktiv, selv om du har skrudd av maskinen din (standby). På bildet over, og de to neste, har vi fjernet kjøleribbene så det skal være lettere og se.
Den minste transformatoren brukes av PWM-kretsen for å isolere primærsiden fra sekundærsiden til strømforsyningen. Om du bare finner to transformatorer i strømforsyningen din, er denne erstattet av optokoblere. En optokobler er en liten IC-krets som vi ser på bildet til høyre. Den inneholder en lysdiode og en fotoelektrisk transistor som ikke er fysisk koblet sammen. Når det settes spenning på lysdioden, aktiverer den fotoelektriske transistoren, uten at de er i fysisk kontakt.
Pulse Width Modulation
Det fine med en switchmode-strømforsyning er at den jobber kun ved den belastningen som er nødvendig. Vi gikk igjennom dette i del 1 av guiden, men forklarer det kort her: Strømforsyningen jobber i løkke, og får beskjed om hvor mye den belastes med, og regulerer spenningen inn til transformatorene deretter. Dette skjer ved hjelp av en liten IC-krets som vi omtaler med akronymet "PWM".
Denne kretsen kombineres ofte med kontroll kretsen til den aktive PFC-en, om strømforsyningen har det. I et slikt tilfelle kaller vi den for en "PFC/PWM Combo"-krets.
Sekundærsiden
Da er vi endelig over på sekundærsiden av strømforsyningen. Det er her spenningen ut fra transformatoren likerettes og filtreres før den sendes ut til komponentene i maskinen din, altså de to siste blokkene i skjemaet vårt.
Likeretting
I en strømforsyning finner vi seks ulike spenningslinjer. Dette er henholdsvis +12 V, +5 V, +3,3 V, -12 V, -5V og +5 Vsb. -12 V- og -5 V-linjen er negative linjer, og er sjeldent på mer enn 1 A. Når linjene er så små, kan det brukes helt vanlige dioder til likerettingen.
De store linjene, +12 V, +5 V og +3,3 V, benytter en noe mer avansert likeretter. Her benyttes det effekt-schottky-dioder, hvor to stykker er pakket inn i samme komponent. Da trenger man kun tre terminaler, fremfor fire som det ville ha vært om man brukte to dioder hver for seg. Disse er veldig like effekt-transistorene i utsende.
To alternativer for likeretting
Likerettingen på de store linjene kan gjøres på to måter, presentert i kretsene over. kretsen til venstre viser det alternative vi finner i de fleste "high-end"-strømforsyninger, mens kretsen til høyre er det alternativet "low-end"-strømforsyninger vanligvis velger.
Kretsen til høyre krever tre utgangspinner fra transformatoren, fremfor to som kretsen til venstre benytter seg av. I motsetning må spolen i kretsen til venstre være fysisk større, noe som presser prisen opp. Det er derfor de fleste low-end produsenter velger alternativet til høyre.
I enkelte strømforsyninger av meget høy kvalitet, parallellkobles to og to effektdioder. Dermed kan strømforsyningen levere dobbelt så mye strøm som den gjør ved å bruke en diode. Dette er tilfellet i strømforsyningen som vi har brukt som "hitgh-end"- eksempel. Under er det to bilder av kjøleribben på sekundærsiden av strømforsyningen, og som vi ser er det to pakker med effektdioder til +12 V-likeretteren.
Alle strømforsyninger har separate likeretter-kretser for +12 V- og +5 V-linjene. +3,3 V-linjen derimot, er en annen sak. Her har prdusentene tre oppsett å velge mellom:
Alt #1: Montere på en spenningsregulator på +5 V-utgangen, etter likerettingen er gjort. Dette er noe de fleste "low-end"-produsenter velger å gjøre for å spare penger, og er ikke å anbefale.
Alt #2: Lage en helt ny likeretter-krets for +3,3 V-linjen, men bruke de samme utgangene på transformatoren. Det er denne metoden som veldig mange av strømforsyningene på dagens marked benytter seg av.
Alt #3: Lage en helt uavhengig likeretter-krets, med egne utganger på transformatoren. Dette er noe veldig få produsenter gjør, og de gangene det benyttes er det snakk om strømforsyninger av veldig høy kvalitet.
Sekundærsiden forts.
Over ser vi et helt normalt bilde av spesifikasjonene til en strømforsyning. Som vi ser har +5 V- og +3,3 V-linjen en kombinert utgangseffekt. Grunnen til dette er det vi snakket om på den forrige siden, nemlig alternativene for likerettingen av +3,3 V-linjen. I de fleste tilfeller benytter linjen seg av de samme utgangene på transformatoren som +5 V-linjen, og den kan derfor ikke belastes med så mye strøm som den er spesifisert til.
Sekundærsiden av en high-end strømforsyning
Enkelte "high-end"-strømforsyninger har montert to eller tre potensiometre på sekundærsiden av strømforsyningen. Med disse kan du faktisk regulere spenningslinjene et par millivolt opp eller ned. Når belastningen på en strømforsyning øker, synker spenningen. Med slike motstander kan man da øke linjen litt igjen. Husk at du i så fall må passe på å skru de ned igjen når belastningen på strømforsyningen synker.
Det er her vi også finner generatoren som lager "Power Good"-signalet. Det er her den grå kabelen i ATX-kontakten kommer fra.
Filtrering
Sekundærsiden til en low-end strømforsyning
Alle kondensatorene du finner på sekundærsiden, som ikke er en del av likerettingen, har som jobb å filtrere spenningen. Med filtrere mener vi å gjøre den glattere, altså få ned rippelen. På bildet over har vi klippet vekk alle kablene som går ut fra sekundærsiden, så du ser komponentene lettere. Disse kondensatorene er betydelig mindre enn den vi så i den aktive PFC-kretsen eller spenningsdobleren.
Oppsummering
Da er vi ved veis ende, og har nå forklart deg hva som skal til fra vekselspenningen går inn i strømforsyningen, til den går ut som likespenning for å mate komponentene i datamaskinen din.
Det vi nå har gått igjennom er kun det grunnleggende designet til en "switchmode"-strømforsyning. Det er veldig mange andre kretser som produsentene legger inn alle mulige steder i løypa, slik som varsellys, viftekontrollere, beskyttelseskretser og mye mer.
Vi takker for følget denne gangen, og håper alle har lært noe. Fremover vil vi bruke denne guiden som oppslagsverk ved våre tester av strømforsyninger, og håper du vil gjøre det samme.
Ta gjerne en tur innom forumet vårt om du lurer på noe som er relatert til strømforsyninger eller elektronikk.
