Povratna sprega za merenje potrošnje električne struje na jednosmernom vodu za napajanje

Radio sam nedavno na blog postu za prekidačko napajanje i kako modifikovati isto kako bi se koristilo za kućnu primenu u laboratorijske svrhe. Isto mi je dalo više ideja za pisanje, a ovaj blog post je vezan za prethodni u kojem sam opisao višefazni DC/DC kontroler/regulator za napajanje AMD mikroprocesora računarskog sistema i naveo da je potrošnja električne struje kako na fazi tako i na PCI-Express (ali i na svim ostalim ekspanzionim slotovima) limitirana. Kontrolisanje potrošnje električne energije na jednosmernom vodu za napajanje se radi merenjem pada napona na šant otporniku povratnom spregom ka kontroleru voda za napajanje. Danas sam malo radio pretraživanje interneta i naišao sam na jednu interesantnu katalošku šemu upravo sistema koji sam naveo u prošlom postu, te shodno tome opisujem isto.

Merenje povratnom spregom korišćenjem šant otpornika

Prvo bih naveo nekoliko reči o šant otporniku, mada sam već pisao o tome u nekoliko blog postova. Šant otpornici služe za merenje potrošnje električne struje, imaju vrlo malu otpornost, manja od 1 Oma, u nekim slučajevima još manja, teži nuli. Razlog tome je što isti otpornik ne može da remeti protok struje, zato isti ima vrlo malu vrednost otpornosti. Isto tako zbog zagrevanja koje nastaje usled protoka struje a samim tim i toplotnih gubitaka, imaju specifičnu konstrukciju te ćete na nekima naći i hladnjake. Za primer šant otpornika možete pogledati sledeće linkove: Primer 1 i Primer 2. Kao što možete pročitati iz Primera 1, merenje potrošnje električne energije se vrši uz pomoć pada napona na šant otporniku koji se javlja kao rezultat proticanja električne struje. Ono što treba navesti je sledeće: šant mora biti što manji po vrednosti kako ne bi narušio protok struje kroz vod, jer ne možete staviti otpornik od 10MOma i sa istim meriti protok jer će vam isti smanjiti količinu struje kroz granu a samim tim nemate ni šta da merite, znači šant ne može da narušava tok struje jer se ista meri, zatim, kada se radi merenje, nekom od metoda, bilo da je to ekstreni merni uređaj ili povratnom spregom elektronskog sklopa, takođe ne možete remetiti električne veličine, znači povratna sprega mora biti visoke impedanse (High impedance inputs are preferred on measuring instruments such as voltmeters or oscilloscopes.) bilo da se radi o sondi za osciloskop ili o bakarnim vodovima koji idu na ulaz integrisanog kola koje meri električne veličine, znači merač mora imati visoku impedansu (velika otpornost koja ne dozvoljava protok električne struje). Ovo su osnove koje je potrebno znati za razumevanje merenja povratnom spregom korišćenjem šant otpornika.

PCI-Express strujno ograničavanje

Svaki ekspanzioni slot ima tačno definisano određenom verzijom standarda koliko može maksimalno struje da da na izvodima napajanja, sve više od toga je kontrolisanj i zabranjuje se protok veći od deklarisanog. Ovo se upravo postiže gore pomenutim merenjem uz povratnu spregu sa šant otpornikom, pri čemu na matičnoj ploči računarskog sistema nećete naći šantove kakvi su prikazani na Primeru 1 i Primeru 2 već SMD pakovanja, ili Kroz Rupu pakovanja tj, kroz PCB matične ploče. Takođe sam napomenuo da ukoliko kartica zahteva više od onoga što PCI-Express dozvoljava maksimalno na izlazu, kartica vuče sa glavnog prekidačkog napajanja tj. ATX napajanja. Takođe možete videti sa priložene kataloške šeme, kako su dizajneri vodova za napajanje PCI-Express slota uradili zaštitu, tj. da PCI-Express kartica ne može da radi ukoliko nije prisutan napon sa PCI-Express slota na +12Vcc jer time enejbluje tj. aktivira logiku integrisanog kontrolera. Integrisani kontroler za merenje potrošnje električne struje je Maxim MAX9544 i tačno se vidi, da isti radi identično kao i faza višefaznog DC/DC naponskog regulatora/buck konvertora jer koristi MOSFET tranzistore, otpornik sa povratnom spregom visoke impedanse koja služi za kontrolisanje drajvera Gejta MOSFET tranzistora. 

PCI-Express dvostruko napajanje, kombinacija slota i glavnog prekidačkog napajanja

Izdvojeno iz kataloga (celokupan tekst u linku dole): If the current from the x16 connector exceeds the I LIMIT value of 7.14A (set by the 7mΩ sense-resistor value), the MAX5944 will reduce the voltage at the gate of Q2B to regulate the maximum current at ILIMIT. If the current overload continues for more than 2ms, the MAX5944 pulls down strongly on the gate of Q2B, disconnecting the faulty load from the system power supply. An active-low output, FAULTB, will be asserted to indicate that a load fault occurred. If the current overload does not last more than 2ms, the MAX5944 returns Q2B to fully enhanced operation.

Kontrolisanjem signala Gejta MOSFET tranzistora kontroliše se protok struje kroz električni vod, te ukoliko potrošnja pređe granice dozvoljenog što se ustanovi povratnom spregom na šant otporniku, kontroler tako podešava Gejt MOSFETa kako bi kontrolisao tj. ograničavao struju kroz granu tj. vod. Isto tako ukoliko u određenom intervalu vremena potrošač sve više i više vuče električne struje van maksimuma kontroler potpuno isključuje MOSFET kontrolisanjem Gejt signala. Znači radi identično kao povratna sprega faze višefaznog DC/DC kontrolera AMD procesora o kojem smo pisali nedavno a imali smo i video snimke. 

Maxim - Dvokanalni kontroler sa povratnom spregom za merenje potrošnje električne struje voda, padom napona na šant otporniku i korišćenjem MOSFET tranzistora. Koristi se u PCI-Express sistemima ukoliko ekspanziona kartica troši više od dozvoljene struje koliko je propisano PCI-Express standardom.
Takođe, obratite pažnju na povratnu spregu, tačno se vide da bakarni vodovi idu na ulaz Operacionog pojačavača tj Komparatora a isto ima visoku impednasu na ulazu što je idealno kolo za merenje potrošnje električne energije metodom pada napona. Naravno, Komparatori će odraditi poređenje izmerenog pada napona a zatim će doneti odluku na koji nivo treba da se setuje Gejt signal MOSFET tranzistora kako bi se regulisala potrošnja struje kroz vod, limitirala na dozvojljeni nivo, ili skroz isključio vod ukoliko je veliko opterećenje na istom. Detaljne šeme i podaci su vam prisutni u kataloškim podacima, ali kao što vidite, identičan koncept se koristi i za napajanje ekspanzionih slotova matične ploče što sam već naveo u prošlom blog postu o višefaznom DC/DC naponskom regulatoru tj, Buck konvertoru za AMD procesor.

PCI-Express slotovi, prva dva od leva, druga dva desno su PCI (takođe imaju maksimalna strujna ograničenja propisana PCI standardom)
 
PCI-Express slotovi - AMD matična ploča računarskog sistema


Video objašnjenje električne potrošnje: Kada sam napomenuo da i MOSFET ima svoje limite zbog čega takođe mora da se vodi računa o maksimalnoj dozvoljenoj struji dostupnoj na vodu, jasno je zašto se pasivni hladnjak od istog montira na Ground od PCBa direktno, jer je isti potrebno hladiti i odvoditi toplotu kroz bakar dalje od MOSFET tranzistora.

Korisni linkovi:

Autor: Vladimir Savić
zilsel-invent (R)
v.savic@zilsel-invent.com


Comments

Popular posts from this blog

Electrolytic capacitors and design rules