Организация питания индустриальных компьютеров от шин напряжения постоянного тока

Индустриальные компьютеры — это неотъемлемая часть современных устройств управления, автоматики и робототехники. Сегодня наиболее распространенными считаются универсальные платы индустриальных компьютеров форм-фактора ITX (рис. 1), разработанного тайваньской компанией VIA Technologies. Его преимущество заключается в существенно меньшем по сравнению со стандартным форм-фактором ATX (Advanced Technology Extended) размере — всего 170×170 мм. Энергопотребление для компьютеров форм-фактора mini-ITX в самой полной комплектации с подключенной через USB периферией обычно не превышает 20–30 Вт. Причем материнские платы данного стандарта сохраняют полную электрическую совместимость по разъему питания с форм-фактором ATX, то есть по уровням, качеству и типу разъемов.

Рис. 1. Материнская плата форм-фактора ITX производства VIA Technologies (20 контактный разъем питания — на переднем плане слева)

На практике питание индустриальных компьютеров на базе указанных плат наиболее часто осуществляется от стандартных ATX-блоков питания. Насколько это оправданно? Приведу один аргумент «за» и четыре «против». Аргумент «за»: это просто, доступно, не очень дорого и не обязывает к лишним умственным движениям. Теперь «против». Во‑первых, схема стандартного ATX-блока питания из-за его универсальности имеет существенные излишества [8], которые вряд ли понадобятся в большинстве случаев его применения. Во‑вторых, если уже есть общий AC/DC-блок питания для всей автоматики, то какой смысл прокладывать дополнительную шину напряжения переменного тока для питания компьютера и еще один AC/DC-блок питания? Кроме избыточных затрат и неудобств в организации цепей питания (например, второго контура защитного заземления), это приводит к необходимости выполнить ряд требований. А именно по электромагнитной совместимости (импульсные блоки питания — один из основных источников индустриальных и радиопомех) и пожаро- и электробезопасности изделия в целом: обеспечить выполнение требований по токам утечки (из-за наличия двух встроенных в блоки питания сетевых фильтров токи утечки удваиваются, а это не всегда приемлемо), электрической прочности изоляции для дополнительных шин переменного тока, защитному заземлению и т. д. В‑третьих, конструкция ATX-блока питания стандартизованная, далеко не малогабаритная, к тому же имеющая множество не всегда нужных кабелей. В результате придется подгонять под нее конструкцию проектируемого изделия. И наконец, если выбрана материнская плата персонального компьютера без принудительного охлаждения (чтобы избежать обслуживания вентилятора и чистки платы от пыли) (пример на рис. 1), какой смысл использовать стандартный блок питания с вентилятором? Ведь зачастую индустриальные системы встраиваемой электроники функционируют в неблагоприятных условиях запыленности, а доступность для проведения соответствующего обслуживания не всегда легко обеспечить. По опыту автора, регламентные работы, связанные с вмешательством в цепи питания, ни к чему хорошему обычно не приводят. Какой же выход из данной ситуации?

Наиболее простым решением для конкретной задачи является разработка собственного блока питания, который будет оптимально вписываться в общую конструкцию изделия и может работать от имеющихся в оборудовании шин постоянного тока, и даже использовать их часть напрямую. Насколько это сложно? Рассмотрим на практических примерах.

Как уже отмечалось, материнские платы форм-фактора ITX полностью совместимы по цепям питания со стандартным 20‑контактным разъемом ATX (рис. 2).

Рис. 2. Разъем питания форм-фактора ATX (20 pin) (цветная маркировка контактов соответствует цвету проводов кабеля подключения и является стандартизированной)

Для того чтобы больше не возвращаться к этому вопросу, отмечу, что разъем от блока питания, расположенный на кабеле, представляет собой розетку типа Mini-Fit Molex 39-01-2200 (Housing). Распространенное коммерческое название этой розетки — MF‑02x10F. Предусмотрены обжимные контакты (Crimp Terminals), в рассматриваемом случае можно использовать недорогие контакты Molex 39-00-0207 (покрытие олово‑никель). Их применение оправдано относительно малыми токами в шинах ITX и тем, что частых разъединений разъема не предвидится. Естественно, обжимку контактов необходимо проводить специальным инструментом. При использовании аналогов разъемов Molex следует учитывать их соответствие требованиям не только по электрическим параметрам (рабочее напряжение, максимальный ток), но и по пожаробезопасности.

Стандарт ATX (основная текущая версия 2.2) [1] накладывает ряд ограничений на уровни и качество питающих напряжений (табл. 1).

Примечание.
1. Пульсации выходных напряжений нормируются в диапазоне от 10 Гц до 20 МГц.
2. Уровни напряжений, их допустимые отклонения иуровни пульсаций должны соблюдаться для всех возможных режимов работы компьютера.
3. +5 (SB)— это дежурное напряжение +5В, которое подается на материнскую плату, даже когда остальная часть напряжений выключена.

Как видно из таблицы 1, стандарт накладывает ограничения только на напряжения. Проектировщик блока питания самостоятельно выбирает токи, исходя из конкретного проекта. Какие еще выдвигаются требования? Необходимо учитывать, что помимо силовых цепей в разъеме имеются и сигнальные цепи:

• PS_ON# (PS-ON), или Power On — сигнал, поступающий от материнской платы к блоку питания. Когда эта цепь замыкается на общий провод (GND), то таким образом обеспечивается включение компьютера. Цепь имеет внутреннюю подтяжку +5 В непосредственно в схеме материнской платы.
• PWR_OK (PW_OK), или Power Good — сигнализация от блока питания, которая указывает, что все его основные напряжения стабилизировались (переходные процессы закончились) и находятся на заданном уровне (слежение обеспечивается супервизором блока питания). Эта цепь остается в низком уровне в течение 100–500 мс после того, как цепь PS_ON# была замкнута на общий провод.

На практике имеются ограничения не только по качеству напряжений, но и по очередности их подачи, а также по задержке их поступления на материнскую плату. Это будет показано на примерах построения блоков питания. Еще одним существенным вопросом является выбор супервизора — микросхемы, которая следит за уровнями основных питающих напряжений, выдает и принимает команды управления по определенному алгоритму.

Автор использовал недорогой (30–50 руб. при покупке 10 штук) супервизор TPS3510D (корпус SOIC8) производства Texas Instruments [2]. Описание столь функционально сложной ИМС требует отдельной статьи, а потому остановлюсь на основных ее особенностях, дополнительная информация будет приведена при рассмотрении конкретных схемотехнических решений:

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

Даже из краткого описания функциональных особенностей супервизора TPS3510D видно, что его использование значительно облегчает построение такого специфического устройства, как блок питания индустриального компьютера.

Для продолжения проектирования необходимо определиться с токами по всем шинам напряжения постоянного тока (входным и выходным). Здесь следует учитывать собственное энергопотребление материнской платы, ее оснащение (модули оперативной памяти, накопитель), а также все возможные для вашего проекта периферийные подключения. Что имеется в виду? Например, модулей оперативной памяти может быть несколько, в зависимости от емкости и изготовителя они имеют различное энергопотребление. В качестве накопителя могут использоваться накопители (некоторые модели предусматривают подключение нескольких накопителей) на жестких магнитных дисках — винчестеры (HDD), их энергопотребление также зависит от типа и от изготовителя. Или же менее энергоемкие IDE-флэш-диски. К плате можно подключить вентилятор системы охлаждения и т.д. Все эти аспекты должны быть проанализированы и учтены разработчиком блока питания.

Что касается периферии, здесь не так важно, что будет подсоединено к параллельному (LPT) порту, последовательным COM-портам (RS232), видеовыходу VGA (SVGA) или к сетевому LAN. На общем энергопотреблении все это мало скажется. А вот подключение к портам USB отразиться способно. Как известно, от каждого порта USB 2.0 (а их на материнской плате бывает несколько) внешние устройства могут взять ток до 0,5 А. Использование USB-портов не только для организации связи, но и для питания внешних устройств достаточно часто встречается на практике.

В качестве примера в таблице 2 приведены данные по максимальному энергопотреблению для собственно материнской платы EPIA CN10000Е (VIA Technologies, без принудительного охлаждения) и выполненного на ее базе компьютера с накопителем IDE FLASH MODULE 4 Gb и одним модулем оперативной памяти DDR-II 1Gb PC2-6400 (800 МГц). К плате по портам USB 2.0 подключены две видеокамеры QuickCam LOGITECH 3000, еще два порта USB 2.0 подсоединены к внутренним платам изделия с относительно малой токовой нагрузкой.

Примечание.
1. Потребление тока платой дано в режиме обработки 3D-графики [3].
2. Потребление тока компьютером дано в режиме максимальной нагрузки.

К сожалению, изготовители плат неохотно открывают тайны по их энергопотреблению, ограничиваясь маркетинговыми определениями — минимальная потребляемая мощность, сверхминимальная, ультраминимальная и т.п. Выйти из положения можно, воспользовавшись типовыми значениями токов, приведенными в таблице 2, — они наиболее характерны для плат форм-фактора ITX и собранных на их базе индустриальных компьютеров. Также можно постараться получить данные по платам и узлам у изготовителей, которые прячут их в OEM-спецификациях, предназначенных для изготовителей оборудования.

Еще необходимо учитывать, что потребляемая мощность зависит от загрузки процессора, для платы EPIA CN10000Е в различных тестах она колеблется в пределах от 9 до 14 Вт [3]. В рассматриваемом примере ожидаемая максимальная потребляемая мощность компьютера с внешними подключениями составляет 15 Вт. Зачем же использовать более мощный блок питания?

Теперь обратимся к схемотехнике. Поскольку вариантов построения таких блоков питания может быть множество, то лучше и полезнее рассматривать принципы их организации. Это позволит проектировщику легко выбрать его реализацию, подходящую для конкретного случая, или нужную комбинацию. Сердце блока питания для любого индустриального компьютера — супервизор. По опыту автора, оптимальной, но несколько отличающейся от стандартной [2] является схема включения супервизора, приведенная на рис. 3.

Рис. 3. Схема подключения супервизора TPS3510D в блок питания

В начальном состоянии на схему супервизора подается только дежурное напряжение +5 В (+5V_SB). ИМС супервизора DA1 запитывается через диод VD2, и схема находится в режиме ожидания. Об этом состоянии сигнализирует светодиод HL2 красного свечения. Такая индикация удобнее стандартной с одним индикатором, указывающим лишь на включение компьютера. На индикации не надо экономить, она полезна при настройке и при поиске неисправностей. Для этого можно использовать удаленную индикацию или SMD-светодиоды типоразмера 0805, установив их непосредственно на плате блока питания. После подачи команды включения на ИМС супервизора от материнской платы поступает команда PS_ON, и супервизор дает команду на включение напряжения +12 В (+12V). После включения напряжения +12 В питание супервизора переключается на эту шину через диод VD1. Напряжение шины +12 В через делитель R2, R3 поступает на вход PGI супервизора DA1 и анализируется. Величина напряжения на входе PGI супервизора должна установиться на уровне не менее чем 1,15 В, причем за заданное алгоритмом супервизора время [2]. В рассматриваемой схеме при +12 В на выводе PGI должно быть ≈1,28 В. Если это требование выполняется, супервизор оставляет включенной шину +12 В. Если нет — супервизор снимает команду, разрешающую его включение. После включения напряжения +12 В включается напряжение +3,3 В (3,3V), и с обязательной задержкой (о ней позже) — основное напряжение +5 В (5V). Если внутренние анализаторы супервизора подтвердят, что и эти напряжения находятся в пределах кондиционных значений, тогда уровень напряжения на выходе PGO супервизора изменится с низкого (L) на высокий (H). Это даст информацию о готовности компьютера к работе: загорится индикатор HL1 зеленого свечения, красный индикатор HL2 будет погашен. Обратите внимание, что напряжение –12 В не анализируется супервизором. Но оно должно блокироваться до включения напряжения +12 В или даже до включения напряжения +3,3 В. Время анализа всех напряжений составляет 300 мс. Если в течение этого периода не будет достигнут положительный результат — супервизор выключит напряжение +12 В, а следовательно, и все остальные напряжения и выдаст команду об аварии. Сбросить ее можно только выключением входного напряжения +5 В (+5V_SB). Если для вашего компьютера такое время неопределенного состояния недопустимо, можно использовать другой супервизор, например TPS3511 из той же серии [2]. Его время анализа составляет 150 мс. В качестве диодов VD1, VD2 можно применить и маломощные кремниевые диоды, например BAS32L, главное, чтобы падение напряжения на диоде VD2 не превышало 0,5 В [2]. В качестве индикатора включения пригодится и двухцветный светодиод с общим катодом.

Теперь рассмотрим два практических примера схемотехники собственно блоков питания. Первый вариант — основной блок питания устройства уже имеет часть подходящих по напряжению шин постоянного тока. В этом варианте их можно использовать непосредственно. Здесь нужно учитывать, насколько эти шины соответствуют требованиям по качеству напряжений (табл. 1). Естественно, они не должны иметь недопустимых просадок во время работы изделия.

На рис. 4 приведена схема блока питания центрального компьютера сложной системы встраиваемой электроники (система с распознаванием образов, семь рабочих мест с сенсорными экранами). Компьютер выполнен на базе платы EPIA ML6000Е (VIA Technologies, без принудительного охлаждения). Шины напряжений постоянного тока получены от блока питания LPQ152‑C (150 Вт, Emerson Network Power) [4]. Он обеспечивает соответствующие требованиям спецификации ATX [1] напряжения +5, +12 и –12 В, обладает высокой надежностью и устойчивостью к перегрузкам, а также отвечает самым жестким требованиям по электро-, пожаробезопасности и электромагнитной совместимости, что упрощает сертификацию конечного оборудования.

Рис. 4. Схема ATX-блока питания от шин напряжения постоянного тока

Как видно на рисунке, схема такого блока питания достаточно проста. Дежурное напряжение +5 В (+5V_SB) берется непосредственно с шины от блока питания LPQ152‑C. Оно поддерживает в дежурном состоянии супервизор (рис. 3). После команды на включение компьютера PC_ON супервизор дает команду на включение напряжения +12 В. Открывается ключ на транзисторе VT1, который в свою очередь открывает ключ на транзисторе VT2 (подает на материнскую плату компьютера напряжение –12 В) и с некоторой обязательной задержкой (определяется элементами R2, C4) открывает ключ на транзисторе VT3. Тем самым 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. В некоторых дорогих ATX-блоках питания имеется опция, позволяющая программно установить необходимую задержку. Напряжение +5 В поступает также на ИМС стабилизатора напряжения DA1, который формирует последнее из необходимых для работы компьютера напряжение +3,3 В. В качестве ИМС стабилизатора напряжения используется мощный компенсационный стабилизатор типа LM1084IT‑3.3 (Texas Instruments) [8] с малым собственным падением напряжения. Следует отметить, что с точки зрения энергетики подобное решение, может, и не самое удачное, поскольку ИМС в данном режиме требует небольшого, но радиатора. (Внимание: ИМС LM1084IT‑3.3 должна быть установлена через изоляционную прокладку, или радиатор должен быть изолирован от общего провода устройства!) Однако такое решение простое, недорогое в реализации и не создает радиопомех. Диод VD2 обязателен, он защищает ИМС LM1084IT‑3.3 от воздействия обратных токов, возникающих при выключении компьютера из-за разряда его конденсаторов по шине 3,3 В. Разъем Х2 — технологический. Он используется при проверке платы. При проверке на него ставится перемычка — джампер. Это позволяет включить и проверить блок питания без подключения его к компьютеру. Еще одна особенность — это разъем Х3. От него подаются питающие напряжения на ряд составных узлов изделия — питание упомянутых выше рабочих мест и части внутренней электроники изделия. Как видно из схемы, все напряжения на них будут поданы только лишь после включения центрального компьютера. Тем самым не требуется дополнительных блоков питания и цепей управления. Все рабочие места и не задействованная в дежурном режиме электроника при выключении центрального компьютера будут автоматически обесточены и будут включаться синхронно с ним. Именно поэтому в качестве ключей VT1, VT3 применены транзисторы с большим рабочим током — IRF4905 и IRF3205 (оба International Rectifier). Оба транзистора имеют малое сопротивление канала в открытом состоянии, установки на радиаторы они не требуют. Согласитесь, что такое построение блока питания и просто и удобно. Поскольку схемотехника блока питания занимает мало места на печатной плате, в реальном изделии на этой же плате располагались: управляющий интерфейс RS232, часы реального времени, схема анализа напряжения сети и еще ряд вспомогательных цепей и кроссов. Плата устанавливалась совместно с материнской платой компьютера в одну ячейку блока управления, размер платы 150×115 мм и плотность монтажа ее была не высокая.

Если в вашем изделии нет развитых шин напряжений постоянного тока, а есть только одна достаточно мощная DC-шина, например +12 В, тогда для преобразования этого напряжения в напряжения, соответствующие спецификации ATX, лучше всего использовать импульсные DC/DC-преобразователи, имеющие, как известно, высокий КПД. Их расчет значительно упрощает интерактивный калькулятор из WEBENCH Design Center от Texas Instruments [5]. Основной проблемой при проектировании является то, что при этом нужно обязательно учитывать диапазон возможных изменений токов. В противном случае преобразователь может выйти из режима стабилизации, и супервизор сбросит питающие напряжения по сигналу аварии. Правильный выбор ИМС преобразователя важен не только с точки зрения его КПД и мощности, но и наличия в нем опции по дистанционному включению. Это не только обеспечит необходимую очередность включения напряжений, но и исключит нежелательную работу преобразователей в режиме холостого хода. Схема такого блока питания представлена на рис. 5. Эта схема использовалась автором для питания центрального компьютера на базе платы EPIA CN10000Е в робототехническом оборудовании с непрерывным длительным циклом работы.

Рис. 5. Схема ATX-блока питания от одной шины напряжения постоянного тока

Как видно из схемы (рис. 5), все необходимые напряжения формируются от одной входной шины постоянного тока напряжением +12 В (+12V main). Это же напряжение используется и для формирования напряжения +12 В (+12V) для компьютера. Дежурное напряжение +5 В (+5V_SB) формирует понижающий DC/DC-преобразователь DA3 непосредственно от входной шины постоянного тока напряжением 12 В (+12V main). Оно поддерживает в дежурном состоянии супервизор (рис. 3). После команды на включение компьютера PC_ON супервизор дает команду ON/OFF на подачу напряжения +12 В. Открывается ключ на транзисторе VT1 и запускаются два DC/DC-преобразователя. Понижающий преобразователь на ИМС DA1 формирует напряжение +3,3 В (+3,3V), а инвертирующий преобразователь на DA2 — напряжение –12 В (–12V). Это же напряжение (+12 В) открывает с некоторой обязательной задержкой (определяется элементами R5, C15) ключ на транзисторе VT3. Тем самым на материнскую плату компьютера подается основное напряжение +5 В (+5V). В качестве DC/DC-преобразователей используются ИМС типа LM2576T‑3,3, LM2576T‑5,0 и LM2574M‑12 (Texas Instruments). Преобразователи типа LM2576T удобны тем, что имеют достаточно высокий КПД, мощность и могут устанавливаться непосредственно на шасси без изолирующих прокладок, то есть использовать его в качестве теплоотвода.

Какие нюансы имеет схема (рис. 5)? Их несколько. Во‑первых, для понижения уровня пульсаций использованы дополнительные LC-фильтры по выходу DC/DC-преобразователей. Во‑вторых, для коррекции выходных напряжений (обратите внимание, используются ИМС с фиксированными значениями выходных напряжений) имеются добавочные резисторы R1, R4. Они повышают уровни выходных напряжений примерно на 0,15 В. Разъем Х2, как и в предыдущем примере, используется при проверке платы. Однако необходимо учитывать, что если плату по схеме рис. 4 можно проверять на холостом ходу, то плата по схеме рис. 5 на холостом ходу просто не включится. Супервизор сбросит включение и защелкнется. При проверке необходимо обеспечить минимальную токовую нагрузку для преобразователей.

А что делать, если по основной шине +12 В, от которой запитывается компьютер, возможны просадки напряжения? В штатной конструкции автора статьи эта проблема была устранена добавкой каскада, показанного на рис. 6. Диод и электролитический конденсатор большой емкости устранили эту проблему. При этом номинал резистора R3 в схеме супервизора (рис. 3) уменьшен до 8,2 кОм. Это позволило учесть падение напряжения на диоде VD4 (рис. 6), предотвращающем ускоренный разряд входных емкостей блока питания на внешние цепи изделия.

Рис. 6. Схема защиты ATX-блока питания от просадок входного напряжения

А если в вашем оборудовании нет достаточно мощной шины напряжения постоянного тока 12 В, а есть, например, шина +24 В? Это не должно быть камнем преткновения — достаточно добавить в схему еще один DC/DC-преобразователь с соответствующим управлением.

Какая еще проблема может возникнуть перед разработчиком? Одной из проблем может стать электромагнитная совместимость. Автор статьи столкнулся с такой проблемой при сертификации одного из изделий в Европейском сертификационном центре. Как было выяснено в ходе анализа, проблемой были не помехи по сети (имелся и сетевой фильтр, и прочие необходимые меры были предприняты), а завышенный уровень излучаемых радиопомех, причем на очень высоких частотах — от 200 МГц и выше. Причиной оказались помехи от материнской платы, которые по кабелю питания со стороны компьютера попадали на неэкранированные провода изделия. Устранение этих помех было выполнено улучшением экранирования и модернизацией блока питания. В него были введены помехоподавляющие элементы (рис. 7).

Рис. 7. Схема выходных цепей ATX-блока питания с помехоподавляющими элементами

В качестве фильтров F использовались помехоподавляющие трехвыводные конденсаторы (Chip EMIFIL) производства Murata — NFM21PC474R1C3D [6], а в качестве индуктивностей L — специальные многослойные ферритовые помехоподавляющие структуры (Chip Ferrite Bead) также производства Murata. Для сигнальных цепей использовались BLM18HD102SN1D [6], а для цепей питания BLM31PG391SN1L [6]. Частотные характеристики этих элементов представлены на рис. 8.

Рис. 8. Частотные характеристики помехоподавляющих элементов:
a) NFM21PC474R1C3D;
б) BLM18HD102SN1D;
в) BLM31PG391SN1L

Итак, как видно из рис. 5, схема и такого варианта исполнения блока питания для индустриального компьютера не является сложной и громоздкой. В реальном изделии на плате вместе с блоком питания разместились: достаточно габаритное реле, анализатор сети, часть кросса, зарядное устройство для аккумулятора и вся схемотехника встроенного в изделие бесперебойного источника питания, включая тестер состояния батареи с мощной нагрузкой. Размер платы 170×87,5 мм.

Если у вас еще остались сомнения в целесообразности использования предложенного подхода к организации питания индустриальных компьютеров от шин напряжения постоянного тока — посмотрите схемы стандартных ATX-блоков питания [7] и прочитайте еще раз первые абзацы статьи.