"SONY PLAYSTATION" или особенности схемотехники 32

Журнал "Радио", номер 4, 1999г.
Автор: С. Рюмик, г. Чернигов, Украина

    Для любителей видеоигр сегодня выпускается широкий ассортимент игровых видеоприставок (ИВП): от "Dendy" до "Nintendo Ultra-64". Продолжая серию статей о схемотехнике подобных устройств, автор рассказывает о "Sony PlayStation" - японской 32-битной ИВП, покорившей весь игровой мир. Представленные сведения не только облегчат ее грамотную эксплуатацию и самостоятельный ремонт, но и расширят технический кругозор читателей.

    Несмотря на недолгую историю развития 32-битных ИВП, она уже ознаменовалась конкурентной борьбой транснациональных корпораций, производящих компьютерную технику. Сравнительные характеристики наиболее известных приставок данного класса приведены в табл. 1. Их можно условно разделить на "экзотические" и "стандартныеquot К первым относятся малораспространенные или узкопрофильные ИВП: "Sega32X" - оригинальная "приставка к приставке", расширяющая возможности 16-битной "Sega Mega Drive-2"; "Philips CD-i" - многофункциональная приставка к телевизору для воспроизведения информации с интерактивных оптических дисков формата CD-i; "Commodore CD32" или "CDTV" - проект, опередивший свое время, способствовал началу распространения игровых программ на CD-ROM, но фирме-разработчику не хватило упорства и средств для завоевания рынка.

    "Стандартными" 32-битными ИВП можно считать "3DO" [1], "Sega Saturn", "Sony PlayStation" и их многочисленные клоны. Общие характеристики этих изделий: игровые программы хранятся на лазерных компакт-дисках (CD), телевизионное изображение формируется в стандартах NTSC или PAL со стереозвуком, предусмотрены разнообразные периферийные устройства (от "лазерного" пистолета до автомобильного руля с педалями), имеется возможность прослушивать обычные музыкальные CD, работать с дисками форматов Photo-CD и Video-CD. Приставка "3DO", имея довольно скромные технические характеристики, пользуется успехом, так как появилась на рынке немного раньше своих конкурентов. ИВП "Sega Saturn" мешают стать популярной неудачная ценовая политика и недостаточная программная поддержка. Тем не менее некоторое время она считалась основным конкурентом "Sony PlayStation" (в дальнейшем будем называть ее просто "PlayStation"), которую многие считают лучшей из 32битных ИВП. Это подтверждается большим числом (известно более 600) игровых программ для нее, создаваемых такими известными фирмами, как Electronic Arts, Mindscape, Capcom, Konami, Lucas Arts, Disney Software. Скоростные трехмерные игры с "живым" изображением и виртуальной камерой обзора близки по уровню к реализуемым на компьютерах с процессором Pentium младших моделей.

    Первые модели "PlayStation", рассчитанные на японский, американский или европейский телевизионные стандарты, не были полностью совместимыми. Более поздние стали универсальными и работают с CD как фирменного, так и южноазиатского производства. Схемотехника и конструктивно-технологическое оформление "PlayStation" продуманы весьма тщательно. Относительно высокая цена окупается повышенным качеством и надежностью.

    КАК УСТРОЕНА "PLAYSTATION"

    Далее речь пойдет об одной из последних моделей "PlayStation" - SCPH5502. Рассматривая ее устройство, будем, по возможности, пользоваться позиционными обозначениями элементов, маркированными на печатных платах, хотя они не всегда соответствуют принятым у нас стандартам (например, транзисторы обозначаются буквой Q, а не VT, микросхемы - IC, а не DD или DA, разъемы - CN, а не X). Фирменная нумерация элементов - трехзначная, причем цифра в старшем разряде говорит о принадлежности к определенной подсистеме приставки. К сожалению, многие элементы не маркированы. Если их обозначения все же удалось установить по другим источникам, на схемах и в тексте они даны с апострофом (например, IC105') Остальные обозначены по ЕСКД с одно-двузначной порядковой нумерацией в пределах каждой из схем. Для удобства типы большинства транзисторов и диодов указаны согласно каталогу фирмы Siemens [2]. Реально в "PlayStation" во многих случаях установлены элементы азиатского производства, тип которых из-за отсутствия маркировки установить невозможно.

    В стандартный комплект поставки "PlayStation" входят системный блок (консоль), джойстик, шнур питания, кабель для соединения с телевизором, демонстрационный CD. Схема соединений системного блока показана на рис. 1. Его сердце - процессорная плата, на которой находятся почти все основные узлы приставки и семь разъемов:

    CN102 - розетка для соединения с коммутационной платой;

    CN103, CN104 - вилки соответственно параллельного и последовательного портов;

    CN502 - вилка для подключения телевизора (по низкой частоте);

    CN602 - вилка для соединения с платой питания;

    CN701, CN702 - вилка и розетка для подключения соответственно силовых и информационных цепей привода CDROM.

    Упомянутый привод содержит электромеханические узлы систем вращения CD и перемещения считывающей головки с полупроводниковым лазером инфракрасного диапазона волн и приемной фотоматрицей. При нажатии кнопки "OPEN" открывается доступ к контейнеру диска для его установки или извлечения.

    Коммутационная плата распределяет цепи разъема CN102 процессорной платы на четыре розетки. Две из них (девятиконтактные) предназначены для подключения к приставке основного ("1") и дополнительного ("2") джойстиков, а остальные (восьмиконтактные) - для другой периферии.

    ИВП питается от сети 220 В через импульсный преобразователь напряжения, расположенный на плате питания. Назначение кнопок "POWER" и "RESET" стандартное: включение питания и установка процессорной системы в исходное состояние соответственно. Преобразователь работает все время, пока сетевая вилка вставлена в розетку. На холостом ходу потребляемая мощность не превышает 2,3 Вт. После включения приставки кнопкой "POWER" она возрастает до 6...11 Вт.

    Межплатные соединения силовых цепей выполнены обычными проводами, а высокочастотных (информационных) - эластичным ленточным кабелем. При изготовлении приставки широко используется современная технология автоматизированного монтажа элементов на поверхность печатных плат. Практически все установленные на процессорной плате элементы - так называемые SMD (Surface Mounting Device - прибор, монтируемый на поверхность). В таком конструктивном оформлении сегодня выпускаются не только резисторы, конденсаторы, транзисторы и микросхемы, но и катушки индуктивности, плавкие вставки, разъемы и многое другое.

    ПЛАТА ПИТАНИЯ

    В отличие от 8- и 16-битных ИВП, имеющих линейные источники питания, в "PlayStation" применен импульсный. Его достоинства - экономичность, небольшое тепловыделение, высокая стабильность выходных напряжений при колебаниях сетевого и изменении токов нагрузки. В различных режимах работы приставка потребляет от источника ток 180...800 мА по цепи +7,6 В и 360...500 мА по цепи +3,3 В. Пульсации выходных напряжений при отключенной нагрузке не превышают 100 мВ. КПД источника - 53...75 %. Хорошие параметры достигнуты за счет повышенной частоты преобразования и применения квазирезонансной схемы [3, 4].

    Принципиальная схема платы питания показана на рис. 2. Через помехоподавляющий фильтр C001L001C002 сетевое напряжение поступает на выпрямитель - диодный мост D001 - D004 и далее на преобразователь напряжения. Конденсатор C003 сглаживает пульсации. Конденсаторы C010, C011, для повышения надежности соединенные последовательно, связывают выпрямитель с общим проводом (цепью GND) приставки, что ослабляет влияние на нее помех, проникающих по сети. По правилам электробезопасности суммарная емкость этих конденсаторов не должна превышать 6600 пФ [5].

    Однотактный преобразователь напряжения собран по схеме блокинг-генератора с обратным включением диода. Его работа основана на накоплении энергии в магнитном поле трансформатора T001 во время открытого состояния ключа и последующей передаче ее в нагрузку. "Cамозащищенный" ключ на транзисторах Q001 и Q002 устроен таким образом, что при перегрузках и переходных процессах ток, протекающий через него, ограничивается, не достигая опасных значений. Датчик тока состоит из резистора R009 и диода D008. Напряжение с него поступает на базу транзистора Q002, открывая его при резком нарастании тока эмиттера транзистора Q001. В результате базовая цепь последнего оказывается зашунтированной, что и приводит к ограничению тока.

    При начальном запуске ключ открывается током, протекающим через резистор R003. Напряжение обратной связи, необходимое для работы генератора, подается на базу транзистора Q001 с обмотки II трансформатора T001. Конденсатор C004 вместе с емкостью коллекторного перехода транзистора Q001 и индуктивностью рассеивания трансформатора Т001 образуют последовательный колебательный контур, настроенный на частоту, близкую к частоте преобразования. В результате напряжение на коллекторе Q001 приобретает почти синусоидальную форму [3, 4]. Демпфирующая цепь C005R002D005 защищает транзистор Q001 от пробоя.

    Напряжения вторичных обмоток III и IV трансформатора Т001 выпрямляются диодами с барьером Шоттки D101, D102, отличающимися малым прямым падением напряжения, что улучшает энергетические характеристики источника. Резисторы R101, R102 - балластные. Они создают нагрузку, необходимую для устойчивой работы преобразователя на холостом ходу. Стабилитрон D103 с напряжением стабилизации 10 В ограничивает возможные при переходных процессах всплески напряжения. Пройдя сглаживающие фильтры С101L101С103 и С102L102C104, выпрямленные напряжения через выключатель SW101 и разъем CN101 подаются на процессорную плату.

    После замыкания контактов выключателя SW101 при наличии обоих питающих напряжений загорается зеленый светодиод PD101, включенный в коллекторную цепь "цифрового" транзистора (digital transistor) Q101. Этот относительно новый электронный прибор логически - элемент НЕ с открытым коллектором. Он состоит из обычного транзистора и резистивного делителя в цепи базы. Вход последнего можно соединять непосредственно с выходом цифровой ТТЛ- или КМОП-микросхемы. "Цифровые" транзисторы отличаются один от другого структурой (n-p-n или p-n-p) и номиналами резисторов (1...47 кОм).

    Выходные напряжения преобразователя стабилизированы. Напряжение, пропорциональное выходному в цепи +3,3 В, поступает на вход усилителя рассогласования IC101 через делитель из резисторов R106, R107. Выход усилителя через резисторы R103, R104 и светодиод оптрона PC001 подключен к цепи +7,6 В. При повышении любого из выходных напряжений ток через светодиод увеличивается, и наоборот. В результате изменяется сопротивление участка коллектор-эмиттер фототранзистора оптрона, включенного в цепь обратной связи блокинг-генератора.

    Этот процесс вызывает такое изменение частоты и длительности генерируемых импульсов, что выходные напряжения возвращаются к номинальным значениям. Например, при увеличении мощности нагрузки в 1,5 раза частота преобразования снижается со 160 до 120 кГц с одновременным увеличением относительной длительности открытого состояния транзистора Q001 (т. е. времени накопления энергии). Цепи R010C008 и R105C105 придают системе автоматического регулирования напряжения динамическую устойчивость. Коэффициент стабилизации довольно высок: напряжение в цепи +3,3 В изменяется всего на 0,5 % при увеличении тока нагрузки с 0,035 до 1 А. Для напряжения +7,6 В этот показатель хуже - 11 % при изменении тока нагрузки от 0,075 до 1 А. При коротком замыкании любого из выходов преобразователь переходит в режим стабилизации тока. После устранения замыкания нормальная работа восстанавливается автоматически.

    Как уже говорилось, преобразователь работает все время, пока сетевая вилка вставлена в розетку, даже если контакты выключателя SW101 "POWER" разомкнуты. Поэтому не следует оставлять ИВП надолго в таком состоянии - неисправность платы питания может привести к пожару. Не забывайте о высоком напряжении на этой плате, вскрывая ИВП для ремонта.

    На плате питания находится таймер IC102, формирующий подаваемый на процессорную плату сигнал сброса. В момент включения приставки кнопкой SW101, а также при нажатии и отпускании кнопки SW102 на его выходе появляется импульс низкого логического уровня длительностью 500 мс. Времязадающим элементом служит конденсатор C106. Цепь D105, R111, R112, D106 обеспечивает генерацию сигнала сброса при кратковременном уменьшении напряжения в цепи +7,6 В. В результате после так называемых "просадокquot сетевого напряжения процессор ИВП автоматически перезапускается. Напряжение стабилизации D105 - 5,1 В.

    Подбирая замену активных элементов платы питания, следует учитывать их параметры, приведенные в табл. 2. "Цифровой" транзистор Q101 при необходимости можно заменить любым обычным маломощным структуры n-pn, включив последовательно в его базовую цепь резистор сопротивлением примерно 10 кОм. В качестве IC101 можно использовать TLP431CLP, TL1431 (Texas Instruments), HA174 (Hitachi), КР142ЕН19. В последнем случае нужно иметь в виду, что встречаются партии приборов с нестандартным расположением выводов. Оптрон TLP621 (PC001) можно заменить на TLP521 или NEC256.

    Для повышения надежности платы питания и уменьшения помех другим электронным приборам, создаваемых ею в момент подключения к сети, рекомендуется включить в разрыв одного из сетевых проводов (например, последовательно с плавкой вставкой F001) резистор сопротивлением 10...100 Ом на номинальную мощность не менее 2 Вт.

    КОММУТАЦИОННАЯ ПЛАТА

    Схема коммутационной платы показана на рис. 3, расположение контактов ее внешних разъемов - на рис. 4. Учтите, что цепи, называющиеся OUT с различными цифровыми индексами, для ИВП входные, а SYN и PE - выходные. Плата экранирована. Гибкий кабель длиной 80 мм соединяет ее с розеткой CN102 процессорной платы. Обратите внимание, что порядок следования контактов розетки XS3 обратный относительно CN102.

    (Продолжение следует)

Литература

1. Федоров А. Превратите компьютер в игровую приставку: Creative Labs 3DO Blaster. - КомпьютерПресс, 1995, # 5, с. 140-142.

2. Semiconductor Group. Short Form Catalog 06.96. - Мюнхен, Siemens AG, 1996.

3. Бассет Д. Импульсные источники питания: тенденции развития. - Электроника, 1988, #1, с. 72-77.

4. Коновалов Е. Квазирезонансный преобразователь напряжения. - Радио, 1996, #2, с. 52-55.

5. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания / Под ред. Векслера







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.