Современные информационные технологии/1. Компьютерная инженерия

д.т.н., профессор Лукашенко В.М., к.т.н. Уткина Т.Ю.,
магистр Лукашенко В.А., магистрант Матлаш В.В.,
магистрант Петько Н.Н.

Черкасский государственный технологический университет, Украина

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Систематизация источников питания (ИП) является одной из базовых классических задач. ИП являются важнейшей составной частью микропроцессорных систем управления в лазерных технологических комплексах. От надежности ИП зависит работоспособность всего технологического оборудования.

За последнее десятилетие ускоренный темп развития компьютерных систем создал тенденцию широкого использования разнообразных ИП, которые описаны в работах А.В. Куличкова, Д.П. Кучерова, Е.А. Москатов, Ж.А. Мкртчяна, А.В. Головкова, В.Б. Любицкого и др. Однако в этих работах недостаточно отражена систематизация ИП по признакам классификации [1-4].

Классификация облегчает изучение предмета исследования, упорядочивает терминологию, содействует движению науки и техники со ступени эвристического накопления знаний на уровень теоретического синтеза и системного подхода.

Поэтому задача построения схемы классификации ИП актуальна.

Целью работы является систематизация современных импульсных источников питания компьютерных систем, позволяющая ускорить процесс определения ИП с высокой эксплуатационной технологичностью в формате критериев: «качество – время – затраты».

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- систематизировать по признакам современные ИП и построить классификационную схему;

- провести сравнение импульсных и линейных источников питания для выбора наиболее подходящего ИП для поставленной задачи.

Решение проблемной задачи

Любое электронное устройство, выполненное на активных компонентах, нуждается в подходящем ИП. Поэтому ИП уделяется повышенное внимание и существует тенденция к производству экономичных источников, способных производить необходимое количество электроэнергии при низких энергозатратах. Одна из возможных схем классификации представлена на рис. 1.

Современные ИП делятся на две группы – источники первичного и вторичного электропитания. К первичным источникам питания относятся преобразователи различных видов энергии в электрическую [2].

Вторичные источники служат для преобразования электрической энергии с целью передачи заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе.

Наиболее распространенными конструкциями являются:

- линейные источники питания (ЛИП);

- импульсные источники питания (ИИП).

ЛИП обеспечивают низкие шумы и пульсации и обладают высокой скоростью реакции на изменение нагрузки. Однако, они не эффективны, поскольку выделяют много тепла и имеют большие габариты и вес, поэтому желательно использование линейных источников на более низких уровнях выходной мощности (менее 500 Вт).

В большинстве случаев используются ИИП, которые выполнены по двухтактной схеме.

Рисунок 1 – Классификационная схема источников питания

Обобщенные результаты сравнения линейных и импульсных ИП представлены в табл. 1.

Таблица 1

Сравнение импульсных и линейных источников питания

№ п.п.	Параметр (возможность)	Линейный ИП	Импульсный ИП
1	КПД	40-70 %	90-95 %
2	Средняя удельная мощность	30 Вт/дм^3	130-150 Вт/дм^3
3	Нестабильность по входному напряжению	0,02-0,05 %	0,05-1 %
4	Время удержания	2 мс	30-35 мс
5	Возможность инвертирования (изменения полярности) входного напряжения	нет	есть
6	Возможность увеличения входного напряжения в DC-DC преобразователях	нет	есть
7	Возможность работы в широком диапазоне изменения входного напряжения	нет	есть
8	Возможность работы от сети и переменного, и постоянного тока	нет	есть
9	Габариты, масса	больше	значительно меньше
10	Удельная стоимость (мощность от 1000 Вт)	больше	меньше

ИИП являются инверторной системой, где переменное входное напряжение выпрямляется и преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) и фазоимпульсная (ФИМ) не нашли широкого применения вследствие сложности фильтрации модулированного напряжения. Наибольшее распространение получила широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой частота повторения импульсов неизменна, а изменяется длительность импульсов. Скважность импульсов изменяется на выходе ШИМ контроллера в зависимости от величины сигнала обратной связи, зависящего от выходного напряжения. Стабилизация напряжения ШИМ обеспечивается посредством отрицательной обратной связи с гальванической развязкой от питающей сети при помощи оптрона [3]. Более качественные и дорогие ИИП фирм изготовителей FSP Group и Epsilon [4] содержат как минимум, два дополнительных узла: входной высокочастотный фильтр (служит для защиты питающей сети от высокочастотных гармоник, генерируемых в сеть ИИП) и корректор коэффициента мощности (увеличивает коэффициент мощности ИП).

Таким образом, приведенная систематизация современных ИП благодаря визуализации позволила ускорить процесс выбора ИП с высокой эксплуатационной технологичностью.

Выводы:

1. Проведен анализ существующих импульсных блоков питания;

2. Построена классификационная схема современных ИП, показаны взаимосвязи признаков импульсных преобразователей и фирм изготовителей ИП.

3. Выявлено, что для современных компьютерных систем целесообразно использовать ИИП с широтно-импульсной модуляцией. ШИМ позволяет формировать управляющие импульсы для силовых ключей источника и поддерживать постоянное выходное напряжение для большого диапазона токов нагрузки благодаря отрицательной обратной связи по напряжению.

В дальнейшем необходимо исследовать усовершенствование моделей ИП с целью повышения надежности с применением токового управления, т.е. введение дополнительной обратной связи по току дросселя при сохранении минимальных массогабаритных показателей.

Литература:

1. Куличков А. В. Импульсные блоки питания для IBM PC / А. В. Куличков . – 2-е изд., стер. – М. : ДМК Пресс, 2002. – 120 с.

2. Кучеров Д. П. Современные источники питания ПК и периферии. / Д. П. Кучеров, А. А. Куприянов. – СПб. : Наука и Техника, 2007.

3. Москатов Е. А. Источники питания / Е. А. Москатов. – К. : «МК-Пресс»; СПб. : «КОРОНА-ВЕК», 2012. – 208 с.

4. Мэк Р. Импульсные источники питания. Теоритические основы проектирования и руководство по практическому применению : пер. с англ. / Р. Мэк. – М. : Издательский дом «Додэка-XXI», 2008. – 272 с.