PL227189B1 - Zasilacz modułowy zwłaszcza komputerowy - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest zasilacz modułowy zwłaszcza komputerowy mogący mieć również zastosowanie do zasilania urządzeń peryferyjnych takich jak przykładowo monitory czy drukarki. Wynalazek może znaleźć zastosowanie w elektrotechnice - zasilaniu urządzeń komputerowych i peryferyjnych.

W celu oceny czy istnieją rozwiązania zbliżone, przeprowadzono analizę dostępnych konstrukcji zasilania komputera w kraju i zagranicą. W wyniku badania można stwierdzić, iż żadna z konstrukcji nie oferuje podobnego rozwiązania.

Opis obecnego stanu techniki

Stosowaną obecnie najczęściej konstrukcją zasilania komputerów jest system zasilania zintegrowany w obrębie jednego wewnętrznego układu - rysunek Fig. 1. Komputer przewidziany jest do zasilania z sieci prądu przemiennego 230 V AC. Zasilacz impulsowy komputera wymaga kilkukrotnego przetwarzania energii. Blok A1 jest prostownikiem dwupołówkowym (mostek Graetza) wraz z filtrem dolnoprzepustowym zbudowanym z kondensatorów elektrolitycznych. Na wyjściu bloku A1 uzyskuje się napięcie stałe będące wartością średnią równą w przybliżeniu wartości maksymalnej z napięcia skutecznego. Blok A2 jest przetwornicą impulsową zbudowaną z mostka tranzystorowego z modulacją PWM. Blok A3 to transformator impulsowy obniżający napięcie do 12 V. A4 to mostek prostowniczy zbudowany w oparciu o szybkie diody schottky'ego. Bloki A5, A6, A7 to zespół stabilizatorów oraz filtrów dolnoprzepustowych dopasowujących napięcie do wymaganego. Układ pracuje w pętli sprzężenia zwrotnego przy regulacji współczynnika wypełnienia lub częstotliwości sygnału taktującego generatora. Napięciem kontrolnym jest napięcie 12 V lub 5 V w zależności od rozwiązania. Taka konstrukcja zasilania komputera, tożsama ze wszystkimi innymi urządzeniami elektrycznymi używanymi w domu czy biurze oprócz oczywistej uniwersalności, niesie z sobą także zagrożenia związane z uwspólnianiem z innymi urządzeniami sieci zasilającej w tym, w związku z narażeniem układu zasilania na zmiany w charakterystyce prądu zasilającego. Celem zabezpieczenia właściwego przetwarzania danych, obecnie w bardziej istotnych układach komputerowych, wymaga się dedykowanej sieci zasilającej komputery odseparowanej od innych elementów i urządzeń pracujących w układzie sieci zasilającej. Dedykowany układ umożliwia stosowanie specjalnych układów zabezpieczających przed: uszkodzeniami (np. przekaźników różnicowoprądowych), przepięciami i zapewniająca ciągłość zasilania. Jednak nawet tradycyjna sieć dedykowana budowana na napięcie przemienne 230 V niesie ze sobą ryzyko podłączenia innego odbiornika 230 V niż urządzenia przeznaczone dla tej sieci. Ponadto ryzykiem jest również możliwość przypadkowego zasilenia komputera, nie z sieci dedykowanej, lecz zwykłej, pozbawionej specjalistycznych zabezpieczeń. Wygląda na to, że to, co kiedyś było zaletą, dziś jest wadą. Wymaga się ograniczenia pomyłek związanych z wyborem nieprawidłowego gniazda zasilającego.

Analizując tradycyjny układ zasilania zauważamy, że w przypadku stosowania zasilacza komputerowego, w powszechnych dzisiaj, układach sieci zasilającej komputery wyposażonej w specjalne układy zapewniające ciągłość zasilania, rozwiązanie rozbudowuje się o dodatkowy element w postaci zasilacza awaryjnego - UPS. Układ z podtrzymywaniem awaryjnym zasilania bazuje na dodatkowej aplikacji składającej się z akumulatora i dwóch przetwornic zgodnie ze schematem (Fig. 2) obniżającej (B1 - zazwyczaj transformator sieciowy obniżający napięcie do wartości zgodnej z napięciem akumulatora, B2 - mostek prostowniczy dwupołówkowy dwu- lub cztero-diodowy) i podwyższającej (B4 mostek tranzystorowy i generator PWM o dużej częstotliwości (kilkadziesiąt kiloherców) z modulacją obwiedni do częstotliwości niskiej 50 Hz, (B5 - transformator impulsowy podwyższający napięcie). Energia rozprowadzana jest do komputera poprzez sieć 230 V AC. Do tej sieci można przyłączyć dowolne urządzenie odbiorcze pracujące na napięcie przemienne 230 V.

Działanie bloku UPS (Fig. 2) - napięcie przemienne 230 V dostarczane jest do przetwornicy B1. Zazwyczaj jest to transformator sieciowy obniżający napięcie do wartości zgodnej z napięciem akumulatora (zazwyczaj 12 V lub wyższe w szafach centralnych). Blok B2 stanowi mostek prostowniczy dwupołówkowy dwu- lub cztero-diodowy. Bloki B1 i B2 w urządzeniu tworzą element doładowujący akumulator B3. Rozróżnić tu można dwa sposoby podejścia:

Uwzględniając sieć U na rysunku (Fig. 2) bloki B1 i B2 posiadają jedynie funkcję doładowującą akumulator. Gdy napięcie sieci (U?) jest prawidłowe, energia z sieci jest kierowana przez przełącznik W bezpośrednio do linii 230 V AC. Wadą tego rozwiązania jest zwłoka zadziałania przetwornicy B4 i B5 przy przełączeniu przełącznika W na pracę z akumulatora. Zaletą natomiast jest duża sprawność urządzenia przy pracy z prawidłowym napięciem zasilającym.

PL 227 189 B1

Bez uwzględnienia sieci U bloki B1 i B2 oprócz doładowywania akumulatora dostarczają energię do bloków B4 i B5 gdy napięcie sieci jest prawidłowe. Przetwornica B4 i B5 pracuje zawsze, czerpiąc energię z akumulatora B3 i przetwornicy B1 i B2. Wadą tego rozwiązania jest mniejsza sprawność urządzenia (podwójne przetwarzanie energii przy pracy z sieci). Zaletą natomiast brak zwłoki zadziałania przy przejściu z energii sieci na energię akumulatora.

Ostatnie rozwiązanie stosowane jest w dużych szafach zasilających centralnie wszystkie komputery na jednej wewnętrznej linii zasilającej 230 V AC. Działanie przetwornicy w komputerze COMP (Fig. 2) - komputer przewidziany jest do zasilania z sieci prądu przemiennego 230 V AC. Zasilacz impulsowy komputera wymaga kilkukrotnego przetwarzania energii zgodnie ze schematem omówionym na rysunku (Fig. 2). Analizując cały tor zasilający z rysunku (Fig. 1) jak i (Fig. 2) od źródła zasilania do końcowego napięcia wymaganego w komputerze, zauważyć można kilkukrotne przetwarzanie energii. Każdy stopień zwiększa straty generowane przez poszczególne bloki i zwiększa prawdopodobieństwo awarii. Głównym aspektem obecnego rozwiązania było zbudowanie systemu uniwersalnego, współpracującego z klasycznym układem zasilania komputera (na napięcie przemienne 230 V). W początkowej fazie rozwoju komputerowego było to zaletą, dziś jest łatwo zauważalną wadą.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji zasilacza modułowego, zwłaszcza komputerowego pozbawionego powyższych niedogodności.

Istotą wynalazku jest konstrukcja zasilacza modułowego, zwłaszcza komputerowego zawierającego prostownik, transformator impulsowy, przetwornicę impulsową, mostek prostowniczy oraz zespół stabilizatorów i filtrów dolnoprzepustowych, charakteryzująca się tym, że prostownik i transformator impulsowy stanowią układ zasilania, a przetwornica impulsowa, mostek prostowniczy oraz zespół stabilizatorów i filtrów dolnoprzepustowych stanowią układ dostosowania, a układ zasilania jak i układ dostosowania stanowią niezależne konstrukcyjnie moduły. Korzystnie układ zasilania stanowi moduł znajdujący się poza urządzeniem zasilanym i korzystnie układ zasilania jest zintegrowany z akumulatorem, stanowiąc jednocześnie układ zasilania awaryjnego.

Korzystnie napięcie wyjściowe układu zasilania wynosi 72 V DC.

Korzystne skutki wynalazku

Rozwiązanie to powoduje zmniejszenie ryzyka zasilenia komputera z innej sieci niż dedykowana.

W wyniku jego zastosowania następuje zmniejszenie liczby stopni przetwarzania, zmniejszenie strat całkowitych w całym systemie oraz zmniejszenie prawdopodobieństwa awarii.

Brak wentylatora w zasilaczu komputerowym przy wymuszeniu przepływu powietrza w kanale chłodzącym - wpłynie to na cichszą pracę komputera.

Separacja galwaniczna odbiorników od źródła zasilania.

Zwiększenie bezpieczeństwa przeciwporażeniowego.

Brak wyłączników różnicowoprądowych.

Przedmiot wynalazku, obecny stan techniki oraz schematy objaśniające są uwidocznione na następujących rysunkach:

Fig. 1 Przedstawia najczęściej stosowany sposób zasilania komputera - system zasilania zintegrowany w obrębie jednego wewnętrznego układu.

Fig. 2 Przedstawia najczęściej stosowany sposób zasilania komputera zapewniający ciągłość napięcia bazujący na aplikacji składającej się z akumulatora i dwóch przetwornic - obniżającej i podwyższającej.

Fig. 3 Przedstawia modułowy sposób zasilania komputera bez podtrzymywania awaryjnego UPS.

Fig. 4 Przedstawia modułowy sposób zasilania komputera z podtrzymywaniem awaryjnym UPS.

Fig. 5 Przedstawia połączenia z przewodem ochronnym PE źródła w przetwornicach.

Fig. 6 Przedstawia dwa sposoby podłączenia odbiorników do sieci 72 V DC.

Przykłady wykonania:

P r z y k ł a d 1

Wariant podstawowy umożliwiający działanie układu zasilającego bez podtrzymania awaryjnego UPS przedstawiony za pomocą rysunku (Fig. 3). W przypadku konieczności wykorzystania urządzenia bez modułu bateryjnego zasilania awaryjnego, rozwiązanie redukuje się do koncepcji sieci zasilającej (lub w skrajnym przypadku zmodyfikowanego zasilacza pojedynczego urządzenia). W takim rozwiązaniu napięcie przemienne 230 V dostarczane jest do przetwornicy C1, będącej transformatorem sieciowym obniżającym napięcie do wartości zgodnej z napięciem akumulatora 72 V. Blok C2 to mostek prostowniczy dwupołówkowy dwu- lub cztero-diodowy wraz z filtrem dolnoprzepustowym. Bloki C1

PL 227 189 B1 i C2 w urządzeniu dostarczają energię do sieci zasilającej 72 V DC lub bezpośrednio do urządzenia odbiorczego. Analogicznie jak i w przypadku rozwiązania z modułem UPS, tak i w opisanym zastosowaniu, w przypadku osadzenia zamiast bloków C1 i C2 możliwe jest wykorzystanie przetwornicy impulsowej poprawiającej sprawność tych bloków.

C3 jest przetwornicą impulsową zbudowaną z mostka tranzystorowego z modulacją PWM. Niższe napięcie bloku C3 w porównaniu do rozwiązania klasycznego (blok A2) z rysunku Fig. 1, umożliwia zastosowanie tranzystorów typu MOS z małą wartością rezystancji r_DSon. Mała wartość tej rezystancji zmniejsza straty wydzielane w postaci ciepła na tym elemencie. Blok C4 to transformator impulsowy obniżający napięcie do 12 V. C5 to mostek prostowniczy zbudowany w oparciu o szybkie diody schottky'ego. Bloki C6, C7, C8 to zespół stabilizatorów i/lub filtrów dolnoprzepustowych dopasowujących napięcie do wymaganego. Układ pracuje w pętli sprzężenia zwrotnego przy regulacji współczynnika wypełnienia lub częstotliwości sygnału taktującego generatora. Napięciem kontrolnym może być napięcie 12 V lub 5 V.

Uproszczone rozwiązanie zasilania bez modułu podtrzymywania bateryjnego z zastosowaniem postulowanej metody przedstawiono na Fig. 3.

P r z y k ł a d 2

Wariant z podtrzymywaniem awaryjnym UPS przedstawione za pomocą rysunku Fig. 4.

Napięcie przemienne 230 V dostarczane jest do przetwornicy C1, która jest transformatorem sieciowym obniżającym napięcie do wartości zgodnej z napięciem akumulatora 72 V (3*24 V lub 6*12 V). Blok C2 to mostek prostowniczy dwupołówkowy dwu- lub cztero-diodowy wraz z filtrem dolnoprzepustowym. Bloki C1 i C2 w urządzeniu tworzą układ doładowujący akumulator D1 oraz dostarczają energię do sieci zasilającej 72 V DC. Zamiast bloków C1 i C2 możliwe jest również wykorzystanie przetwornicy impulsowej. Poprawi się w tym przypadku sprawność tych bloków. Działanie zmodyfikowanej przetwornicy w komputerze COMP (Fig. 4) - komputer przewidziany jest do zasilania z sieci prądu stałego 72 V DC. Blok C3 jest przetwornicą impulsową zbudowaną z mostka tranzystorowego z modulacją PWM. Niższe napięcie bloku C3 w porównaniu do rozwiązania klasycznego (blok A2) z rysunku Fig. 1, umożliwia zastosowanie tranzystorów typu MOS z małą wartością rezystancji r_DSon. Mała wartość tej rezystancji zmniejsza straty wydzielane w postaci ciepła na tym elemencie. Blok C4 to transformator impulsowy obniżający napięcie do 12 V. C5 to mostek prostowniczy zbudowany w oparciu o szybkie diody schottky'ego. Bloki C6, C7, C8 to zespół stabilizatorów i/lub filtrów dolnoprzepustowych dopasowujących napięcie do wymaganego. Układ pracuje w pętli sprzężenia zwrotnego przy regulacji współczynnika wypełnienia lub częstotliwości sygnału taktującego generatora. Napięciem kontrolnym może być napięcie 12 V lub 5 V.

Porównując cały tor zasilający od źródła zasilania do końcowego napięcia wymaganego w komputerze, zauważyć można zmniejszenie liczby bloków na rysunku Fig. 4 w stosunku do Fig. 2. Mniejsza liczba stopni przetwarzania zmniejsza straty w całym systemie i zmniejsza prawdopodobieństwo awarii. W proponowanym rozwiązaniu, sieć zasilająca zbudowana jest na obniżonym napięciu 72 V prądu stałego. Do takiej sieci użytkownik nie będzie mógł podłączyć innych odbiorników niż te, które zostaną do niej przewidziane. Komputery będą współpracować jedynie z taką siecią dedykowaną.

Budowa przetwornicy D4 w oparciu o niskorezystancyjne tranzystory MOS w połączeniu z odpowiednio zaprojektowanym kanałem chłodzącym procesor sprawi, że z modułu zasilacza komputerowego można będzie usunąć głośno pracujące wentylatory.

Zapewnienie separacji galwanicznej w bloku C1 umożliwi zwiększenie bezpieczeństwa przeciwporażeniowego oraz brak potrzeby stosowania drogich i zawodnych wyłączników różnicowoprądowych.

Ochrona przeciwporażeniowa w proponowanych rozwiązaniach

W celu zapewnienia ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej, sieć dedykowana 72 V DC powinna być wykonana z dwóch przewodów prądowych (+/-) oraz trzeciego przewodu uziemiającego o zmniejszonej średnicy przekroju względem prądowych. Potencjał przewodu uziemiającego musi wynosić 0 V względem ziemi. Wymagany zerowy potencjał uzyskuje się poprzez wykonanie odpowiedniego połączenia z przewodem PE źródła (Fig. 5) w przetwornicy E1 i E2. Średnicę przekroju przewodów prądowych dobiera się uwzględniając dopuszczalne wartości prądów w przewodach oraz dopuszczalne wartości spadków napięć dla przyjętej odległości czynnej przewodów. Minimalną śred₂ nicę przekroju przewodu uziemiającego ustala się na 1 mm² i dopuszcza się stosowanie połączeń wyrównawczych sieci 72 V DC z punktem PE sieci 230 V AC w kilku miejscach (ważne w przypadku

PL 227 189 B1 dużych odległości pomiędzy komputerami i dużej liczby odbiorników). Przewód PE w sieci 72 V DC pracuje w stanie bezprądowym. Przepływ prądu w nim jest możliwy tylko w przypadku wystąpienia dwóch awarii jednocześnie w dwóch różnych miejscach (przebicie na obudowę).

Każdy odbiornik wymagający ochrony przeciwporażeniowej (np. metalowe elementy obudów) musi być metalicznie połączony z przewodem ochronnym PE (Fig. 6).

Zabezpieczenie od zwarć i przeciążeń zrealizowane jest przy wykorzystaniu: a) bezpieczników topikowych - w odbiornikach; b) zabezpieczenia elektromagnetycznego (bądź termicznego) - w przetwornicy 230 V AC / 72 V DC. Wartości prądów zabezpieczeń dobrane są przy uwzględnieniu prądu szczytowego, prądu rozruchowego i liczby odbiorników przyłączanych do sieci.

Claims (4)

1. Zasilacz modułowy, zwłaszcza komputerowy zawierający prostownik, transformator impulsowy, przetwornicę impulsową, mostek prostowniczy oraz zespół stabilizatorów i filtrów dolnoprzepustowych, znamienny tym, że prostownik /C1/ i transformator /C2/ impulsowy stanowią układ /U1/ zasilania, a przetwornica /C3/ impulsowa, transformator /C4/ impulsowy, mostek /C5/ prostowniczy oraz zespół /C6, C7, C8/ stabilizatorów i filtrów dolnoprzepustowych stanowią układ /U2/ dostosowania, a układ /U1/ zasilania jak i układ /U2/ dostosowania stanowią niezależne konstrukcyjnie moduły.

2. Zasilacz modułowy, zwłaszcza komputerowy według zastrzeżenia nr 1, znamienny tym, że układ /U1/ zasilania stanowi moduł znajdujący się poza urządzeniem zasilanym.

3. Zasilacz komputerowy według zastrzeżenia nr 2, znamienny tym, że układ /U1/ zasilania zintegrowany jest z akumulatorem /D1/, stanowiąc jednocześnie układ zasilania awaryjnego.

4. Zasilacz komputerowy wg zastrzeżenia nr 1, znamienny tym, że napięcie wyjściowe układu /U1/ zasilania wynosi 72 V DC.