УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ПРОЦЕССОРНОЙ ПЛАТЫ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам электропитания и может быть использована для питания процессорных плат (одноплатных компьютеров) в корабельных и бортовых вычислительных системах.
Питание процессорных плат в корабельных и бортовых вычислительных системах осуществляется, как правило, от стабилизированных преобразователей постоянного напряжения (DC-DC преобразователей), преобразующих первичное сетевое постоянное напряжение, например 27 В, в напряжение питания процессорной платы+5 В (или иное). При этом к скорости нарастания первичного постоянного напряжения, поступающего на DC-DC преобразователь при включении питания системы, предъявляются жесткие требования, так как при медленном нарастании входного напряжения медленно нарастает и выходное напряжение (+5В), питающее процессорную плату, что нарушает процесс ее загрузки (вызывает ее «зависание»). Это нарушение работы является следствием блокировки процесса загрузки внутренним контроллером питания процессорной платы (супервизором), который, как правило, опрашивается через определенный временной интервал после включения питания+5 В, и в случае его несоответствия установленному внутреннему значению приостанавливает работу процессорной платы. При этом ситуация усугубляется и тем, что в этом случае внутренний, автоматически выставляемый по включению питания процессорной платы сигнал начальной установки RESET не снимается и, соответственно, исключается возможность дальнейшего запуска процессорной платы внешним сигналом начальной установки RESET, воздействующим на процессорную плату по схеме «ИЛИ» с внутренним сигналом RESET.
Известные устройства с дополнительными релейными ключами или контакторами между DC-DC преобразователем и процессорной платой, включение которых производится с задержкой, определяемой внешним таймером по отношению к моменту подачи первичного постоянного напряжения, обладают малой надежностью, так как ресурс коммутационных изделий при нахождении под напряжением и достаточно значительных токах потребления крайне мал, что резко уменьшает надежность всей вычислительной системы.
Кроме того, в больших вычислительных системах время нарастания сетевого постоянного напряжения при включении системы весьма неопределенно, что, в свою очередь, требует устанавливать задержку включения дополнительных реле или контакторов с многократным запасом по сравнению с реальным временем установления входного
напряжения. Следствием этого является значительное увеличение времени готовности вычислительной системы к работе.
Наиболее близким к предлагаемому устройству и выбранным в качестве прототипа является блок питания бортового вычислителя ([1]), содержащий стабилизатор напряжения и схему формирования, предназначенную для различения длительности перерыва питания, выходной сигнал которой является выходом перезапуска бортового вычислителя.
Недостатком этого устройства является медленное нарастание выходного напряжения стабилизатора напряжения при медленном нарастании входного постоянного напряжения после включения питания вычислительной системы, что может привести к нарушению процесса ее запуска.
Задачей полезной модели является создание устройства питания процессорной платы (одноплатного компьютера) с гарантированной при включении скоростью нарастания питающего напряжения (+5В), независимо от скорости нарастания входного (сетевого) постоянного напряжения (27В).
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройство питания процессорной платы, содержащее стабилизатор напряжения, дополнительно введены последовательно включенные между входами устройства первый резистор, третий диод, включенный в прямом направлении, и третий резистор, параллельно которому подключен конденсатор, первый транзистор проводимости типа р-n-р, эмиттер которого через второй резистор подключен к положительному входу устройства, база через четвертый резистор подключена к отрицательному входу устройства и через последовательно включенные в прямом направлении первый и второй диоды подключена к положительному входу устройства, первый и второй оптронные ключи, стабилитрон, второй транзистор проводимости типа n-р-n, пятый, шестой и седьмой резисторы, четвертый и пятый диоды, при этом эмиттер второго транзистора подключен к отрицательному входу устройства, база подключена к аноду стабилитрона, первому выводу ключевого элемента первого оптронного ключа и через шестой резистор к отрицательному входу устройства, коллектор второго транзистора через включенный в прямом направлении светодиод первого оптронного ключа подключен к коллектору первого транзистора и аноду светодиода второго оптронного ключа, катод которого подключен к отрицательному входу устройства через последовательно соединенные четвертый и пятый диоды, включенные в прямом направлении, второй вывод ключевого элемента первого оптронного ключа через пятый резистор подключен к положительному входу устройства, катод стабилитрона подключен к катоду третьего диода, при этом стабилизатор напряжения выполнен в виде преобразователя постоянного входного напряжения в напряжение питания процессорной платы (DC-DC преобразователя),
имеющего выводы управления включением, второй вывод ключевого элемента второго оптронного ключа через седьмой резистор подключен к первому выводу управления включением стабилизатора напряжения, ко второму выводу управления включения которого подключен первый вывод ключевого элемента второго оптронного ключа. Второй вывод ключевого элемента первого оптронного ключа может быть подключен к положительному входу устройства также через пятый резистор, третий диод и первый резистор.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых приведены:
фиг.1 - электрическая принципиальная схема устройства;
фиг.2 - временные диаграммы работы устройства;
фиг.3 - электрическая принципиальная схема устройства по п.2 формулы полезной модели.
На чертежах обозначены:
1 - стабилизатор напряжения;
2 - первый резистор;
3 - второй резистор;
4 - третий резистор;
5 - четвертый резистор;
6 - пятый резистор;
7 - шестой резистор;
8 - седьмой резистор;
9 - первый диод;
10 - второй диод;
11 - третий диод;
12 - четвертый диод;
13 - пятый диод;
14 - стабилитрон;
15 - конденсатор;
16 - первый транзистор;
17 - второй транзистор;
18 - первый оптронный ключ;
19 - второй оптронный ключ.
Предлагаемое устройство питания процессорной платы содержит стабилизатор 1 напряжения, выполненный в виде преобразователя 1 постоянного входного напряжения в напряжение питания процессорной платы (DC-DC преобразователя). Стабилизатор 1 напряжения имеет два вывода управления включением, закорачивание которых
обеспечивает выключенное состояние стабилизатора 1, а размыкание обеспечивает включение. Устройство питания содержит также последовательно включенные между входами устройства первый резистор 2, третий диод 11, включенный в прямом направлении, и третий резистор 4, параллельно которому подключен конденсатор 15, второй, четвертый, пятый, шестой и седьмой резисторы 3, 5, 6, 7, 8, первый и второй диоды 9, 10, и четвертый и пятый диоды 12, 13, стабилитрон 14, первый транзистор 16 проводимости типа р-n-р, второй транзистор 17 проводимости типа n-р-n, первый и второй оптронные ключи 18 и 19. Эмиттер первого транзистора 16 через второй резистор 3 подключен к положительному входу устройства, база через четвертый резистор 5 подключена к отрицательному входу устройства и через последовательно включенные в прямом направлении первый и второй диоды 9 и 10 подключена к положительному входу устройства. Эмиттер второго транзистора 17 подключен к отрицательному входу устройства, база подключена к аноду стабилитрона 14, первому выводу ключевого элемента первого оптронного ключа 18 и через шестой резистор 7 к отрицательному входу устройства, а коллектор второго транзистора 17 через включенный в прямом направлении светодиод первого оптронного ключа 18 подключен к коллектору первого транзистора 16 и аноду светодиода второго оптронного ключа 19, катод которого подключен к отрицательному входу устройства через последовательно соединенные четвертый и пятый диоды 12 и 13, включенные в прямом направлении. Второй вывод ключевого элемента первого оптронного ключа 18 подключен к положительному входу устройства через пятый резистор 6. Катод стабилитрона 14 подключен к катоду третьего диода 11. Второй вывод ключевого элемента второго оптронного ключа 19 через седьмой резистор 8 подключен к первому выводу управления включением стабилизатора 1, ко второму выводу управления включением которого, подключен первый вывод ключевого элемента второго оптронного ключа 19. Второй вывод ключевого элемента первого оптронного ключа 18 может быть подключен к положительному входу устройства также через пятый резистор 6, третий диод 11 и первый резистор 2. В качестве первого и второго оптронных ключей 18 и 19 могут использоваться транзисторные оптронные ключи, оптронные ключи с МОП-транзисторами, твердотельные реле. В случае использования в качестве первого и второго оптронных ключей 18 и 19 транзисторных оптронных ключей, первый вывод оптронного ключа является выводом эмиттера фототранзистора оптронного ключа, а второй - выводом коллектора фототранзистора оптронного ключа.
Устройство питания процессорной платы работает следующим образом. При нарастании на входе устройства постоянного напряжения, от источника стабильного тока, состоящего из первого транзистора 16, включенного по схеме с общей
пор1
пор1
базой, второго, четвертого резисторов 3, 5 и первого и второго диодов 9, 10, через светодиод второго оптронного ключа 19 и четвертый и пятый диоды 12, 13 начинает протекать ток, который при достижении входным напряжением значения U (например, при выходном напряжении устройства 5 В U выбирается равным 2-2,5 В), вызывает срабатывание второго оптронного ключа 19 и замыкание через седьмой токоограничивающий резистор 8 выводов управления включением стабилизатора 1 напряжения, что соответствует его выключенному состоянию. Одновременно с этим конденсатор 15 заряжается через первый резистор 2 и третий диод 11, стабилитрон 14 при этом закрыт, а шестой резистор 7 удерживает напряжение база - эмиттер второго транзистора 17 около нулевого напряжения, что обеспечивает его закрытое состояние.
пор2
При нарастании входного напряжения до значения U стабилитрон 14 пробивается, переход база - эмиттер второго транзистора 17 получает положительное смещение и второй транзистор 17 открывается, замыкая через себя и через светодиод первого оптронного ключа 18 на отрицательный вход устройства, ток от генератора стабильного тока, что в свою очередь, вызывает включение первого оптронного ключа 18 и выключение второго оптронного ключа 19. Выводы управления включением стабилизатора 1 напряжения оказываются развязанными через большое сопротивление закрытого оптронного ключа 19 и стабилизатор 1 напряжения запускается, обеспечивая на своем выходе номинальное значение напряжения питания процессорной платы.
Дальнейшее увеличение входного напряжения устройства до номинального значения, практически, не изменяет режим работы устройства.
пор3
После включения первого оптронного ключа 18 через его замкнутый ключевой элемент и пятый резистор 6, второй транзистор 17 получает от входного напряжения дополнительное токовое открывающее смещение, препятствующее в случае уменьшения входного напряжения вплоть до величины U закрытию второго транзистора 17, обеспечивая гистерезис, определяемый величиной сопротивления пятого резистора 6 и значениями напряжения включения и напряжения выключения второго транзистора 17. При подключении второго вывода ключевого элемента первого оптронного ключа 18 к положительному входу устройства через пятый резистор 6, третий диод 11 и первый резистор 2 второй транзистор 17 получает дополнительное токовое открывающее смещение от напряжения конденсатора 15. В этом случае работа устройства возможна также при неравномерном нарастании входного напряжения при включении (если входное напряжение имеет дребезг), например, при подключении устройства к источнику питания через тумблер или механические контакторы.
пор3
При уменьшении входного напряжения устройства при его выключении второй транзистор 17, благодаря гистерезису, закрывается при напряжении U, переключая ток от генератора стабильного тока на светодиод второго оптронного ключа 19 и диоды смещения 12, 13. Второй оптронный ключ 19 при этом включается (замыкается его ключевой элемент), замыкая выводы управления включением стабилизатора 1 напряжения, и выключает его.
При кратковременном пропадании входного напряжения третий диод 11 закрывается, а заряженный до номинального значения входного напряжения конденсатор 15 удерживает второй транзистор 17 во включенном состоянии. При снятии входного напряжения третий резистор 4 разряжает конденсатор 15 с постоянной времени τ=RC (где R - сопротивление третьего резистора 4, С - емкость конденсатора 15), обеспечивая приведение устройства в состояние готовности перед следующим включением.
пор2
Напряжение стабилизации стабилитрона 14, определяющее напряжение U, выбирается таким образом, чтобы второй транзистор 17 открывался при входном напряжении равном нижней допустимой границе от номинального напряжения питания стабилизатора 1 напряжения. Например, при номинальном значении напряжения питания 27 В и допуске ±10%, целесообразно задать напряжение включения второго транзистора 17 и, соответственно, и стабилизатора 1 напряжения, равным 24 В, а, учитывая падение напряжения на третьем диоде 11 и напряжение перехода база - эмиттер второго транзистора 17, напряжение стабилизации стабилитрона 14 должно быть порядка 22 В.
Последовательно включенные четвертый и пятый диоды 12 и 13 создают дополнительное напряжение смещения, позволяющее абстрагироваться от технологического разброса прямых напряжений на светодиодах первого и второго оптронных ключей 18 и 19 и напряжения насыщения второго транзистора 17 (суммируемого с прямым напряжением на светодиоде первого оптронного ключа 18), и обеспечивает надежное включение и выключение второго транзистора 17 и, соответственно, тока между первым и вторым оптронными ключами 18 и 19.
пор1
При изменении входного напряжения - от напряжения U до максимально возможного входного напряжения - генератор стабильного тока обеспечивает выходной ток достаточный для надежного срабатывания первого или второго оптронных ключей 18, 19.
пор3
Величина напряжения U выбирается меньше нижнего возможного предела напряжения запуска стабилизатора 1 напряжения.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает надежное включение напряжения питания процессорной платы независимо от скорости нарастания входного постоянного напряжения.
Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что устройство питания процессорной платы может быть изготовлено на основании приведенного описания и чертежей при использовании известных материалов и технологического оборудования, применяемого в современном производстве радиоэлектронных устройств различного назначения, и использовано для питания процессорных плат в корабельных и бортовых вычислительных системах.
Список литературы
1. Свидетельство на ПМ №14097 на полезную модель, МПК H02J 1/00, публикация 27.06.2000, (прототип).