Внес изменения, ниже последняя редакция, что еще можно уточнить/дополнить/поправить?
Просьба к администрации форума: удалите пожалуйста предыдущую редакцию статьи, если не сложно, спасибо.
[center]
Принципы работы ШИМ-контроллеров в цепях питания ноутбука.[/center]
[center]

[/center]
Не секрет, что на принципе широтно-импульсной модуляции базируется подавляющее большинство систем питания современной цифровой техники.
Знание условий запуска ШИМ-контроллеров и понимание принципов их работы – это одно из основополагающих условий для работы в сфере ремонта цифровых устройств.
Данная обзорная статья написана с целью обобщения некоторой информации о работе ШИМ-преобразователей в импульсных системах питания ноутбуков.
Итак, начнем с основ. Широтно-импульсная модуляция – это принцип управления мощностью на нагрузке путем изменения скважности импульсов (отношения периода следования импульса к его длительности) пропорционально необходимому напряжению на выходе при постоянной частоте.
ШИМ-контроллеры в цепях питания управляют затворами силовых транзисторов, обеспечивая их работу в «ключевом» режиме (в определенный момент времени транзистор или полностью открыт или полностью закрыт), за счет чего снижается выделение мощности на ключах и повышается их КПД.
Упрощенные графики, иллюстрирующие изменение выходного напряжения пропорционально коэффициенту заполнения (англ. Duty cycle – величина, обратная скважности), представлены ниже:
[center]

[/center]
Простейшая схема импульсного понижающего преобразователя питания на ШИМ-контроллере выглядит так:
[center]

[/center]
Q – силовой транзистор
L – катушка индуктивности
C – конденсатор
Rn – нагрузка
D – блокировочный диод
Такая схема получила название одноплечевого понижающего преобразователя. Принцип его работы следующий:
В тот момент времени, когда силовой транзистор
Q открыт (замкнут) управляющим сигналом с ШИМ-контроллера, энергия источника питания накапливается в катушке индуктивности
L, при этом диод
D закрыт.
[center]

[/center]
Когда транзистор
Q закрыт (разомкнут), энергия, запасенная в катушке индуктивности
L, передается в нагрузку
Rn через открытый диод
D.
[center]

[/center]
Конденсатор
C служит для сглаживания пульсаций напряжения.
Схемы импульсных преобразователей питания в материнских платах ноутбуков организованы немного иначе:
[center]

[/center]
Эти схемы получили название двухплечевых каскадов. Они отличаются от одноплечевых тем, что блокировочный диод заменен дополнительным силовым транзистором нижнего плеча
Q(Low), который управляется ШИМ-контроллером в противофазе транзистору верхнего плеча
Q(High).
[center]

[/center]
Данное изменение было обусловлено необходимостью снижения потерь мощности на блокировочном диоде, которые, при высоких токах, были довольно значительными. Выделение же мощности на сопротивлении открытого канала транзистора нижнего плеча намного меньше, чем на любом диоде.
Организация двухплечевого каскада по такой схеме позволила снизить потери в цепи и достичь значений КПД импульсных преобразователей питания, превышающих 80%.
Переходим к конкретике.[center]
Texas Instruments BQ24725[/center]
Одним из проблемных участков в схемотехнике ноутбуков является входная цепь питания.
За подачу напряжения адаптера питания на плату и систему заряда АКБ в большинстве ноутбуков отвечает специализированная микросхема со встроенным ШИМ-преобразователем – Charge Controller (т.н. Чарджер). Давайте рассмотрим принципы работы этого семейства микросхем на примере типичного представителя - BQ24725 от компании Texas Instruments.
Назначение выводов и типовая схема включения микросхемы представлены ниже:
[center]

[/center]
[center]

[/center]
Для того, чтобы понять алгоритм включения и логику работы микросхемы, необходимо знать назначения ее выводов:
ACN – инвертирующий и
ACP – неинвертирующий входы усилителя ошибки, к которому подключен резистивный датчик тока RAC. За счет падения напряжения на этом датчике, определяется ток, потребляемый от адаптера питания. При превышении порогового значения, контроллер уйдет в защиту.
CMSRC – вывод, отслеживающий напряжение адаптера питания, отвечает за формирование управляющего напряжения на выводе ACDRV большего, чем напряжение на данном выводе, на величину порядка 6В.
ACDRV – управление затворами входных транзисторов Q1(ACFET) и Q2(RBFET). На этом выводе формируется открывающее напряжение для N-канальных транзисторов, которое на величину порядка 6В больше напряжения на выводе CMSRC. Такое напряжение сформируется тогда, когда микросхема будет запитана и напряжение на выводе VCC будет как минимум на 0,275В выше напряжения на выводе SRN, а напряжение на выводе ACDET будет находится в диапазоне от 2,4 до 3,15В. В этом случае транзисторы Q1(ACFET) и Q2(RBFET) открываются, и напряжение адаптера питания подается в точку SYSTEM.
ACDET – вывод, отслеживающий подключение адаптера питания. Как можно видеть в типовой схеме включения, данный вывод через резистивный делитель напряжения (R1/R2) подключен к плюсовой линии адаптера питания. Для нормальной работы микросхемы напряжение на данном выводе должно быть в пределах 2,4 – 3,15В.
ILIM – вывод, через который резистивным делителем (R3/R7) программируется ограничение тока зарядки АКБ. Зарядки не будет, если напряжение на этом выводе упадет ниже 0.075В.
SDA – линия данных и
SCL – линия тактирования для обмена данными между Charge-Controller и HOST (управляющей микросхемой). Так как данные выводы имеют тип открытого коллектора, они подтянуты к линии +3,3В через резисторы R3 и R4.
ACOK – по сути, PowerGood контроллера. «Логическая единица» на данном выводе сигнализирует HOST-у о том, что подключен поддерживаемый адаптер питания. Данный вывод также имеет тип открытого коллектора и подтянут к линии +3,3В через резистор R5. Условия для появления на этом выводе высокого логического уровня те же, что и для формирования управляющего напряжения на ACDRV. До тех пор, пока все эти условия не будут выполнены, вывод ACOK посажен на землю через внутренний транзистор микросхемы.
IOUT – вывод, по изменению напряжения на котором HOST определяет ток, потребляемый от адаптера питания и ток зарядки АКБ. На этот вывод транслируются данные с токовых датчиков RAC и RSR.
SRN – инвертирующий и
SRP – неинвертирующий входы усилителя ошибки, к которому подключен резистивный датчик тока RSR. За счет падения напряжения на этом датчике, определяется ток зарядки АКБ. При превышении порогового значения, ШИМ-преобразователь цепи зарядки отключится.
GND – земля. Также на землю посажена подложка микросхемы, обеспечивающая теплоотвод.
LODRV – управление затвором N-канального транзистора нижнего плеча (Q4) и
HIDRV – управление затвором N-канального транзистора верхнего плеча (Q3) в ШИМ-преобразователе цепи заряда АКБ. В рабочем режиме ШИМ-преобразователя на данных выводах должны быть импульсные управляющие сигналы.
PHASE – данный вывод подключается к истоку N-канального транзистора верхнего плеча (Q3) и служит для формирования управляющего напряжения на его затворе.
BTST – также служит для формирования управляющего напряжения на затворе N-канального транзистора верхнего плеча (Q3), подключается к выводу PHASE через конденсатор C7 и к выводу REGN через быстродействующий диод D1 (т.н. вольтдобавка).
REGN – вывод встроенного линейного стабилизатора напряжения на 6В. Линейный стабилизатор запустится, когда микросхема будет запитана и напряжение на выводе ACDET будет выше 0,6В.
BATDRV – управление затвором транзистора Q5 (BATFET). На этом выводе формируется открывающее напряжение для N-канального транзистора, которое на величину порядка 6В больше напряжения на выводе SRN. Данный транзистор коммутирует напряжение АКБ в точку SYSTEM при отсутствии подключенного адаптера питания.
VCC – питание микросхемы. По типовой схеме включения видно, что контроллер может быть запитан как от адаптера питания, так и от АКБ.
Как можно понять из вышесказанного, условий, необходимых для запуска микросхемы, не так уж и много. Бывает, однако, что микросхема исправна и все условия для ее запуска выполняются, однако схема не работает. Это может означать, что чарджер уходит в защиту из-за выхода за пределы нормы одного из контролируемых параметров. В этом случае, попытки запуска микросхемы до срабатывания защиты можно попробовать отследить осциллографом.
N.B.! Особое внимание при устранении неисправностей, связанных с работой подобных микросхем, необходимо уделять проверке силовых транзисторов, керамических конденсаторов в обвязке, соответствию сопротивлений резисторов их номинальным значениям.
[center]
Richtek RT8205A[/center]
Еще одним камнем преткновения при ремонте ноутбуков часто становятся неисправности на участке формирования дежурных напряжений (т.н. дежурки).
Существуют различные схемотехнические решения по формированию данных напряжений, многие из которых базируются на использовании двухканальных ШИМ-контроллеров. Алгоритм включения и логику работы одной из таких микросхем – двухканального ШИМ-контроллера RT8205A от компании Richtek, мы и рассмотрим.
Назначение выводов и типовая схема включения микросхемы представлены ниже:
[center]

[/center]
[center]

[/center]
Итак, рассмотрим назначения выводов микросхемы:
VIN – питание микросхемы, вывод подключен к плюсовой линии Vin через RC- фильтр (R7/C6), который обеспечивает защиту от высокочастотных пульсаций.
UGATE1 – управление затвором N-канального транзистора верхнего плеча (Q1) и
LGATE1 – управление затвором N-канального транзистора нижнего плеча (Q3) в ШИМ-преобразователе первого канала. В рабочем режиме ШИМ-преобразователя на данных выводах должны быть импульсные управляющие сигналы.
BOOT1 - служит для формирования управляющего напряжения на затворе N-канального транзистора верхнего плеча (Q1), подключается к выводу PHASE1 через бутстрепный конденсатор (C2).
PHASE1 – данный вывод подключается к истоку N-канального транзистора верхнего плеча (Q1) и служит для формирования управляющего напряжения на его затворе, а также для реализации функции токовой защиты первого канала.
VOUT1 – вывод подключается к выходу первого канала ШИМ-контроллера и служит для стабилизации выходного напряжения.
FB1 – обратная связь первого канала, на данном выводе программируется выходное напряжение. Подключение данного вывода к выводу VREG5 или к земле задает фиксированное выходное напряжение 5В. Подключение данного вывода к центральной точке резистивного делителя (R11/R12), в зависимости от номиналов резисторов, может задавать выходное напряжение от 2 до 5,5В.
REF – вывод внутреннего источника опорного напряжения микросхемы на 2В.
TONSEL – настройка частоты первого/второго канала соответственно. Подключение данного вывода к выводу VREG5 (или VREG3) задает частоты 400кГц/500кГц. Подключение данного вывода к выводу REF задает частоты 300кГц/375кГц. Подключение данного вывода к земле задает частоты 200кГц/250кГц.
SKIPSEL – настройка режима работы микросхемы. Подключение данного вывода к выводу VREG5 (или VREG3) задает работу в ультразвуковом режиме (от 25кГц). Подключение данного вывода к выводу REF задает работу в режиме эмуляции диода. Подключение данного вывода к земле задает режим широтно-импульсной модуляции.
EN – сигнал включения (Enable) для внутреннего источника опорного напряжения (REF), встроенных линейных стабилизаторов на 5В (VREG5) и на 3,3В (VREG3). Активным для данного вывода является высокий логический уровень (выше 1В).
VREG3 - вывод встроенного линейного стабилизатора напряжения на 3,3В.
PGOOD – общий PowerGood для первого и второго канала микросхемы. В случае штатной работы обоих ШИМ-преобразователей на данном выводе установится «логическая единица», он имеет тип открытого коллектора и подтянут к выводу VREG5 через резистор R6. PowerGood данного контроллера работает по принципу логической «И», до тех пор, пока хотя бы одно выходное напряжение находится за пределами установленной нормы, вывод PGOOD посажен на землю через внутренний транзистор микросхемы.
VREG5 - вывод встроенного линейного стабилизатора напряжения на 5В.
GND – земля. Также на землю посажена подложка микросхемы, обеспечивающая теплоотвод.
ENTRIP2 - сигнал включения (Enable) для ШИМ-преобразователя второго канала, также служит для реализации функции токовой защиты. Данный вывод подключен к внутреннему источнику тока на 10мкА, запитанному от VREG5, по достижении уровнем ENTRIP2 порога включения, ШИМ-преобразователь второго канала запустится.
ENTRIP1 - сигнал включения (Enable) для ШИМ-преобразователя первого канала, также служит для реализации функции токовой защиты. Данный вывод подключен к внутреннему источнику тока на 10мкА, запитанному от VREG5, по достижении уровнем ENTRIP1 порога включения, ШИМ-преобразователь первого канала запустится.
FB2 – обратная связь второго канала, на данном выводе программируется выходное напряжение. Подключение данного вывода к выводу VREG5 или к земле задает фиксированное выходное напряжение 3,3В. Подключение данного вывода к центральной точке резистивного делителя (R13/R14), в зависимости от номиналов резисторов, может задавать выходное напряжение от 2 до 5,5В.
VOUT2 – вывод подключается к выходу второго канала ШИМ-контроллера и служит для стабилизации выходного напряжения.
LGATE2 – управление затвором N-канального транзистора нижнего плеча (Q4) и
UGATE2 – управление затвором N-канального транзистора верхнего плеча (Q2) в ШИМ-преобразователе второго канала. В рабочем режиме ШИМ-преобразователя на данных выводах должны быть импульсные управляющие сигналы.
PHASE2 – данный вывод подключается к истоку N-канального транзистора верхнего плеча (Q2) и служит для формирования управляющего напряжения на его затворе, а также для реализации функции токовой защиты второго канала.
BOOT2 - служит для формирования управляющего напряжения на затворе N-канального транзистора верхнего плеча (Q2), подключается к выводу PHASE2 через бутстрепный конденсатор (C7).
Кратко последовательность запуска можно расписать следующим образом:
1. На вывод
VIN приходит питание микросхемы
2. На вывод
EN приходит высокий логический уровень
3. Запускается источник опорного напряжения
REF4. Запускаются линейные стабилизаторы
VREG3 и
VREG55. Уровни на
ENTRIP1 и
ENTRIP2 достигают порогового значения.
6. Запускаются ШИМ-преобразователи первого
Vout1 и второго
Vout2 канала
7. Микросхема выставляет высокий уровень на
PGOOD.
N.B.! Функция токовой защиты в данной микросхеме основывается на измерении падения напряжения на сопротивлении открытого канала транзисторов нижнего плеча ШИМ-преобразователей, поэтому, при замене неисправных силовых ключей особое внимание необходимо уделять параметру RDS(ON).
В данной статье рассмотрены лишь общие данные о некоторых контроллерах, без объяснения внутрисхемной логики их работы. Целью написания было краткое обобщение разрозненной информации по этой теме в сети и частичный перевод технической документации для начинающих мастеров, которым интересно понять «как оно работает».
При желании, все нюансы работы выше представленных микросхем и множества их аналогов можно узнать из технической документации производителей, которая, по большей части, находится в свободном доступе.
При написании статьи использовались материалы форумов
«Notebook1.ru» и
«VLab.su», канала Youtube
«HamRadio Tag», а также техническая документация на рассмотренные микросхемы.
Специально для форума «Notebook1.ru», Скляров Денис (A.K.A. primesvc).