Блок питания для компьютера, мощностью 350Вт, форм-фактор АТХ

Дипломная работа.

Киевский политехнический институт (КПИ)

Радиотехнический факультет

Киев 2005

Современные рыночные экономические отношения требуют качественную и надежную продукцию, а также быстрое и качественное предоставление услуг. Низкая стоимость обусловливает конкурентоспособность товара и услуг. Реализовать это не возможно без автоматизации всех сфер деятельности общества. Универсальным инструментом для автоматизации в наше время стал персональный компьютер (ПК). Если проанализировать, то можно увидеть что компьютер на современном этапе применяется почти везде: в медицине, для точной диагностики с малым процентом ошибки, в производстве, для быстрого проектирования, анализа, моделирования и непосредственно при изготовлении детали, в сельском хозяйстве, в исследовательских целях, в массовых электронных платежах, в сфере развлечений (игровые автоматы). Стоит отметить, что современный компьютер представляет собой сложное радиоэлектронное средство, в котором реализованные все достижения науки в сфере технологий и инженерии. Попытка увеличить быстродействие этого средства вынуждает разработчиков уменьшать уровни сигналов, применять технологии, которые являются чувствительными к внешнему влиянию, что очень сильно отражается на надежной работе прибора. Это в свою очередь обусловливает жесткое требование к источнику питания и к его стабильности.

В случае нестабильности напряжения питания компьютера, это приводит к таким последствиям как:

- выход из строя главной материнской платы;

- выхода из строя оперативной памяти (ОЗП);

- нарушение целостности информации, которая хранится на жестком диске (накопителе);

- порча диска (брак) при записи CD/CD-RW;

- внезапная перезагрузка операционной системы;

Такое нестабильное функционирование прибора, когда он является ключевым элементом в ПК, приводит к падению общей производительности и надёжности работы системы. И Такие случаи работы персональных компьютеров в Украине являются очень распространенными. Причина - использование некачественных источников питания. Высококачественные источники питания для ПК имеют большую стоимость, поэтому, учитывая потребительский уровень, в Украину ввозятся в ограниченном количестве и для небольшого числа производителей (сборщиков) ПК.

После проведенных мной исследований, было выяснено что в Украине возможно производство высококачественного источника питания для ПК, по цене которая будет доступная среднему потребителю. Поэтому целью дипломной работы является разработка блока питания (далее БП) форм-фактора АТХ который в полной мере отвечает требованиям, которые выдвигает стандарт созданный корпорацией INTEL, имеет высокие показатели надежности и малую себестоимость.

1 Разработка технического задания.

1.1 Наименование и область применения.

1.1.1 Наименование: Блок питания компьютера форм-фактора АТХ (12V).

1.1.2 Область применения: системные модули типа IBM PC-XT/AT.

1.2 Цель и назначение разработки.

1.2.1 Целью разработки является создание компьютерного блока питания форм-фактора АТХ (12V).

1.2.2 Назначение разработки – создание функционально законченного устройства, которое обеспечивает стабильность выходного напряжения при изменении (в определенных границах) входного напряжения, входного тока и рабочей температуры.

1.2.3 Разработка предназначена для крупно серийного производства.

1.3 Источник разработки.

1.3.1 Источником разработки является схема электрическая принципиальная блока питания компьютера, которая совместима с материнской платой изготовленной согласно спецификации ATX версии 2.03.

1.4 Технические требования.

1.4.1 Состав изделия и требования к конструктивному оформлению.

1.4.1.1 Изделие имеет в своем составе следующие части:

- плата фильтрации входного напряжения;

- плата преобразования напряжения.

1.4.1.2 Габаритные размеры БП должны быть, мм:

- длина: 150;

- ширина: 140;

- высота: 86.

1.4.1.3 Масса БП должна быть не более 2 кг.

1.4.1.4 Конструктивное выполнение должно обеспечивать возможность крепления блока в системных модулях типа IBM PC-XT/AT.

1.4.1.5 Конструкция БП должна обеспечивать возможность ремонта.

1.4.1.6 Электрическая прочность изоляции БП между токоведущими цепями, а также между токоведущими цепями и корпусом в нормальных климатических условиях эксплуатации должна обеспечивать отсутствие пробоев.

1.4.1.7 Стойкость к влиянию температуры и влажности окружающей среды: изделие должно отвечать климатическому выполнению категории УХЛ 4.2 ГОСТ15150-69.

1.4.1.8 Для антикоррозийной защиты поверхности деталей применить гальваническое покрытие.

1.4.1.9 Корпус БП должен иметь перфорацию, на деталях, которые формируют корпус не должно быть заусениц и повреждений (царапин, вмятин, коррозии).

1.4.1.10 После ремонтных работ, изделие должно сохранять показатели, которые указанны в этом документе.

1.4.1.11 Изделие должно эксплуатироваться в помещениях 3-й категории (закрытое помещение с циркуляцией воздуха).

1.4.1.12 Изделие по показателям помехоустойчивости и ликвидации помех, которые влияют на работу других изделий должно отвечать ГОСТ 22505-83 и ГОСТ 23511-79.

1.4.2 Показатели применения:

Требования к сети:

Минимальное значение ~В: 180;

Максимальное значение ~В: 265;

Частота, Гц: 47 – 63;

Требования к параметрам выходных напряжений и тока:

Общие требования:

Общая выходная мощность, Вт: 350;

Общий КПД, %: 75;

Скачек тока при включении не больше, А: 80;

Температурный дрейф уровня выходных напряжений для канала +5В, при нагрузке всех каналов на 50%, : 0.02;

Температурный дрейф уровня выходных напряжений для всех других каналов, при нагрузке всех каналов на 50%, : 0.05;

При изменении напряжения сети от 180В до 264 выходные напряжения всех каналов изменяются на ±0.5% при 50% нагрузке всех каналов;

Задержка появления сигнала разрешения PG (Power Goodness) высокого уровня при включении, мл. сек.: 100 – 200

1.4.3 Требования к надежности.

1.4.3.1 Изделие по степени надежности должно удовлетворять требованиям ГОСТ 27.003-90.

1.4.3.2 Средняя наработка на отказ, час.:.............не менее 27000;

1.4.3.3 Вероятность безотказной работы:.................0.75;

1.4.3.4 Среднее время восстановления, час.:............ 0.5;

1.4.3.5 Изделие должно выдерживать влияние внешних механических и климатических факторов согласно с ГОСТ 11478-88.

1.4.4 Требования к технологичности и метрологическому обеспечению разработки, производства и эксплуатации.

1.4.4.1 Параметры БП должны контролироваться посредством стандартных измерительных приборов, обслуживающим персоналом среднего уровня квалификации.

1.4.4.2 Требования к технологичности должны отвечать

ГОСТ 14.201-83.

1.4.4.3 Конструкция изделия должна обеспечивать возможность выполнения монтажных работ с соблюдением требований технического задания на установку и пайку комплектующих изделия.

1.4.4.4 Конструкция изделия в целом и отдельных узлов должна удовлетворять сборке без применения специального оборудования.

1.4.4.5 Трудоемкость при изготовлении прибора, час.:.....не более 3.

1.4.4.6 Конструкция блока должна отвечать требованиям ремонтопригодности согласно Р50-84-88.

1.4.5 Требования к уровню унификации и стандартизации.

1.4.5.1 В качестве комплектующих единиц и деталей (коммуникационные изделия электроники, детали крепления, детали установки) должны использоваться серийные изделия.

1.4.5.2 Монтажные платы, панели, узлы крепления и установки должны быть унифицированы.

1.4.5.3 Коэффициент унификации стандартных и заимствуемых деталей должен быть не менее 0.1.

1.4.6 Требования к безопасности при обслуживании по охране окружающей среды.

1.4.6.1 Конструкция БП должна обеспечить безопасность персонала при эксплуатации изделия. Общие требования к электрической и механической безопасности согласно ГОСТ 12.2.007.0-75.

1.4.6.2 По мере защиты человека от поражения электрическим током блок должен быть изготовлен соответственно ГОСТ 12.2.007.0-75, класс защиты – 1.

1.4.6.3 Меры защиты от поражения электрическим током должны отвечать ГОСТ 12.2.007.0-75.

1.4.6.4 Общие требования по обеспечению пожарной безопасности в помещениях согласно ГОСТ 12.1.004-85.

1.4.6.5 Конструкция прибора должна исключать возможность неверного присоединения его токоведущих частей.

1.4.6.6 В качестве основного источника питания должна выступать промышленная сеть переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220В, в качестве альтернативного источника питания – источник бесперебойного питания, со временем автономной работы не менее 20 мин.

1.4.6.7 Штекера и разъёмы электрических цепей должны иметь надписи, которые отвечают их назначению.

1.4.6.8 Конструкция прибора должна исключать возможность попадания в корпус посторонних вещей.

1.4.6.9 В документации по эксплуатации и требованиям по технике безопасности должны быть соблюдены правила технической эксплуатации электромонтажа, и правила безопасной эксплуатации.

1.4.7 Эстетические и эргономические требования.

1.4.7.1 Изделие по своим эргономичным показателям должно обеспечивать удобство при монтаже и эксплуатации.

1.4.8 Требования к патентной чистоте.

1.4.8.1 Патентная чистота должна быть обеспечена.

1.4.9 Требования к составным частям изделия: сырья, исходным и эксплуатационным материалам.

1.4.9.1 Покупные изделия и материалы применяются без ограничений.

1.4.10 Условия эксплуатации (использование), требования к техническому обслуживанию и ремонту.

1.4.10.1 Изделие должно быть изготовлено для климатического условия УХЛ4.2. согласно ГОСТ 15150-69.

Значение температуры воздуха при эксплуатации:

Рабочие:

верхнее значение +35;

нижнее значение +10;

среднее значение +20.

Предельные:

верхнее значение +45;

нижнее значение +10.

Относительная влажность:

Среднее значение в наиболее теплый и влажной период, длительность действия.

65% при 20 С° длительность действия 12 месяцев;

Верхнее значение 85% при 25 С°.

Атмосферное давление:

атмосферное давление 84.0.106.7 кПа. (630 – 800 мм рт.ст.)

1.4.11 Требования к маркировке и упаковке.

1.4.11.1 Маркировки изделия должно отвечать требованиям

ГОСТ 21552-84.

1.4.11.2 Маркировку на корпусе выполнить методом теснения. Качество выполненной маркировки должно обеспечивать четкое изображение на весь срок службы изделия.

1.4.11.3 В содержании маркировки изделия должно быть:

наименование предприятия производителя или товарный знак;

полное товарное наименование согласно ГОСТ 21552-84;

порядковый номер изделия и составных частей;

объяснительные и предупреждающие надписи;

дата изготовления.

1.4.11.4 Упаковка должна быть выполнена в виде картонной коробки.

1.4.11.5 На таре должны быть нанесены значки: «Беречь от сырости», «Придерживаться интервала температур».

1.4.11.6 Упаковка должна обеспечить целостность изделия при работах по загрузке – разгрузке, транспортировке, сохранению и защиту при внешних воздействиях.

1.4.11.7 Каждое изделие в упаковке должно фиксироваться в транспортировочной таре.

1.4.11.8 Если изделие будет экспортироваться, все надписи выполняются на договоренном языке, который оговаривается в договоре.

1.4.12 Требования к транспортировке и сохранению.

1.4.12.1 Упакованные изделия транспортируются исключительно в закрытом транспорте.

1.4.12.2 Требования к виду транспорта не предъявляются.

1.4.12.3 Условия сохранения изделия в таре должны отвечать следующим требованиям:

температура окружающей среды ±50С°;

относительная влажность воздуха при +35С° 98%;

среднемесячное значение в наиболее теплый и влажной период, длительность влияния 80% при 27 С° 12 месяцев.

Тип помещения: закрытое или другое помещение с природной вентиляцией без применения искусственной регуляции климатических условий, где колебание температуры и влажности воздуха значительно меньше, чем на открытом воздухе.

1.4.12.4 Размещение и крепление упакованных изделий в транспортных средствах должно обеспечить их стойкое положение, исключить возможность падений и ударов.

1.4.12.5 В помещении для хранения изделия не должно быть агрессивных примесей (пара, щелочи, кислот и т.д.) которые вызывают коррозию.

1.4.12.6 Расстояние между стенами, полом и изделием должно быть не меньше 100мм, а между обогревающими устройствами не менее 0.5м.

1.5 Экономические показатели.

1.5.1 Ожидаемый годовой выпуск штук.

1.6 Стадии и этапы разработки.

1.6.1 Техническое предложение.

1.6.2 Эскизный проект.

1.6.3 Технический проект.

1.7 Порядок контроля и приема.

1.7.1 Изделие должно быть проверено и принято отделом технического контроля предприятия производителя.

1.7.2 Для приема предъявляются следующие документы:

техническое задание;

комплект конструкторской документации;

ведомость покупных изделий;

программа и методика проведения испытаний;

эксплуатационные документы;

методика проверки.

1.7.3 В случае несоответствия основных параметров блока, его отправляют в ремонт. После ремонта проводят перепроверку и настройку.

1.7.4 Все проверки за исключением оговоренных, проводить в климатических условиях которые оговорены в ТЗ.

2. Анализ ТЗ.

Блок питания (БП) системных модулей IBM PC XT/AT предназначен для преобразования входного переменного напряжения сети в выходные постоянные напряжения, которые обеспечивают работу всех других узлов и блоков компьютера.

БП для компьютеров конструируются по безтрансформаторной схеме подключения к сети, и представляет собой импульсные БП, которые характеризуются большим значением КПД (более 70%), незначительным весом и небольшими габаритами.

Имея столько преимуществ, импульсный БП является источником импульсных помех и это предъявляет к его схеме много требований по электромагнитной совместимости с остальными узлами компьютера, а также с другими электронными приборами. Кроме этого в безтрансформаторных ИБП нет гальванической развязки схемы с сетью, что требует специальных мер при его ремонте.

Большая часть элементов ИБП работает с током высокой частоты (~60кГц), это приводит к нагреванию элементов, поэтому является важным обеспечение теплового режима. К элементам, которые нагреваются, относятся: импульсные транзисторы в силовом каскаде, импульсный силовой трансформатор, импульсные (высокочастотные) силовые диоды в исходных цепях, интегральные стабилизаторы напряжения, дроссель групповой стабилизации.

Учитывая выше указанные особенности ИБП компьютера, а также требования ТЗ, нужно принять решение по обеспечению всех норм.

Для обеспечения электромагнитной совместимости электрическая схема ИБП всегда размещается в металлическом корпусе, который служит электромагнитным экраном. Такое оформление БП является одной из мер по снижению уровня образования помех. Другая помеха, которая является опасной как для работы компьютера, так и для других электрических приборов представляет собой кондуктивная помеха. Источником кондуктивной помехи может быть как любой внешний прибор (устройство) так и сам ИБП. Часто внешним источником является аппаратура электрической сварки, электродвигатели, медицинская аппаратура и тк.д. В ИБП источником кондуктивной помехи является режим работы силовых транзисторов - инвертирования, выпрямляющих и коммутирующих диодов. Для борьбы с кондуктивной помехой нужно применить помехоустраняющие фильтры, и другие схемотехнические средства борьбы.

Для обеспечения теплового режима, элементы, которые сильно нагреваются необходимо оборудовать радиаторами, а к элементам, для которых невозможно применение радиаторов, необходимо применить принудительное охлаждение.

В качестве принудительного охлаждения в системах обеспечения теплового режима (СОТР) в радио- конструировании широко применяются вентиляторы. Наиболее эффективной системой охлаждения при применении вентиляторов является система принудительного охлаждения воздухом путем продува.

Применение вентиляторов имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам можно отнести возможность уменьшить размеры радиаторов, а также искусственно поддерживать температуру в корпусе на заданном уровне. К недостаткам шумовой фон, который создает вентилятор при работе. Поэтому имеет место проблема снижения уровня шума изделия.

Для принудительного охлаждения применение вентиляторов с двигателем коллекторного типа является невозможными, потому что он, во-первых, является источником электромагнитных помех, во-вторых, требует систематического ремонта, связанного с механическим изнашиванием щеточек. Поэтому нужно применять вентиляторы, выполненные в безколекторном варианте.

Важным моментом при конструировании печатной платы БП, с точки зрения обеспечения теплового режима имеется оптимальное размещение элементов исходя из ограничений, которые накладывает схемотехника ИБП. Поэтому при трассировке платы и конструировании корпуса ИБП, элементы, которые отдают большое количество мощности в виде тепла, нужно размещать вдоль потока воздуха.

Для обеспечения конструктивных мер технической безопасности, нужно применить трех-штыревой стандартный вход (вилка) для подачи напряжения сети при помощи трехжильного шнура с трех- контактной розеткой на ИБП и двух штыревую вилку на конце, которую включают в сеть (вилка имеет третий контакт который позволяет осуществить защитное зануление). На отверстия под установку вентилятора установить защитные сетки, которые предотвращают попадание посторонних предметов в середину ИБП. Для защиты проводников от повреждения изоляции нужно применить защитное пластиковое кольцо.

Для обеспечения высокого уровня надежности, качества, минимальной себестоимости и ремонтноспособности нужно применить новую элементную базу и материалы, которые широко распространены на рынке Украины.