修牛記-電源供應器研究系列(三)-重溫

本帖最後由 jwong852 於 2015-9-29 16:09 編輯

SERIES 03
text.photo/庖丁
電源供應器維修研究系列(三)
罕有的故障原因

安全警告電源供應器內有高壓電,維修人員須曾受有關之工業安全訓練,及於AC220V輸入端使用隔離變壓器減低觸電危險。切斷電源後,電容仍儲存高壓一段時間,須使用電阻放電,並量度淨餘電壓,必須少於1V,才可以開始工作。

個案:12V外置供電器
這次介紹的並非電腦使用之電源供應器,而是一個供電給掃瞄器使用、並很普通的外置供電器,它將AC220V轉換成12V、1.25A。 此供電器的問題是完全沒有輸出,一般情況下這種供電器損壞了,只需數十元便可購買一個全新的來代用。基於環保及研究的心態,決定將之維修。這種供電器的線路相當簡單,維修應該很容易,但原來這次的故障原因極之罕有,是一個頗有趣的個案。


內部拆解
一般電腦使用之電源供應器的外殼使用螺絲封蓋,拆解容易,但大部份的外置供電器由於要通過跌落測試(Drop Test),塑膠外殼都使用強力膠水或超聲波焊接,非常穩固,不容易拆開,須要使用小鋸鋸開。

此供電器跟部份電腦電源供應器之+5V standby供電部份基本設計差不多,採用低成本、由分立式原件組反激式開關電源結構(Flyback Switching Topology),取其電路簡單及可省回輸出電感器。高壓開關管為MJE13005,其他零件皆為低成本貨色及不出名品牌。




維修過程
首先用DC30V供電,由於使用分立式原件,一般供電DC30V都能起動。通過輸入保險絲(Fuse)後已沒有電壓,很明顯保險絲已燒毀,用一電線將保險絲臨時短路,輸出回復有+12V,看情況可能只是輸出曾經短路或過載引致保險絲燒毀這麼簡單。接回一全新的保險絲,再將供電升至AC110V,負載約0.5A,輸出正常地有+12V左右,此次維修工作差不多可以完結。

最後再將供電升至AC220V,突然砰一聲,保險絲又再燒毀!再重覆DC30V供電,一切又是正常,情況相當罕見!問題應該是有些零件耐壓不足,在較高電壓下會漏電,由於可疑的零件眾多:如輸入EMI電容、瀘波電感、整流子、高電壓瀘波電容、高壓開關管或高頻變壓器,只好先在底板上分割開高壓濾波電容前後部分(電路圖上之ISOLATION POINT),分別測試。由於高壓擊穿時會引起短路,不想浪費保險絲,故在AC220V輸入前串聯一個60-100W燈泡以作短路保護,同時從燈泡的亮度可知是否有短路。

供電AC220V測試高壓瀘波電容前之部分,燈泡不亮代表沒有短路,此部分應該沒有問題,剩下可疑的是高壓開關管及高頻變壓器,如果是變壓器漏電,此供電器可以作廢,因為所有開關電源的高頻變壓器都是由廠家特別定制,無法從市場購買得到。剩下只有將高壓開關管拆下驗查,其實測量高壓漏電,一般電錶是測量不到的只可更換開關管以証明是否問題所在,此開關管是安裝在一小片金屬散熱片上,而散熱片是接在高壓負極,故需要安裝絕緣片及絕緣介子。在拆卸過程中終於發現問題所在:絕緣介子竟然有破損及燻黑處,相信是由長期高壓電弧跳火形成,此種現象真是極為罕見,因此特別值得報導此個案。換上新的絕緣介子,供電AC220V,一切正常,維修工作才真正完結。此供電器雖然維修完畢,外殼只能以熱熔膠封口,但無法還原至原來的強度及安全度,以後須小心使用。



技術淺談
電腦電源供應器之+5V standby供電部份由於輸出功率不高(最高才是15W=5V X 3A),絕大部份都是採用反激式開關電源結構(Flyback Switching Topology),零件選擇方面總括有三大種類,在將來的維修個案,均有機會看到:


1.        完全使用分立式原件
成本最低,但零件數量最多,可靠性較低,最多為低價位之電源供應器所使用。高壓開關管可以採用MOSFET或雙極性晶體管,以前者成本稍高,但效率亦較高。
2.        PWM控制晶片+高壓開關管
零件數量比第1種較少,可靠性亦高一點。由於PWM控制晶片不帶高壓開關管,晶片面積可以造到很細小,可以放在SOT-23的封裝內。
3.        內置高壓開關管的PWM控制晶片
零件數量最少,可靠性亦最高,但成本較前兩種稍高。由於高壓開關管是內置,故可做到對開關管溫度過高的保護。

此次維修之個案就是使用分立式原件,如能明瞭此種供電器之維修,維修電腦電源供應器之+5V standby供電部份便如出一軋。

此種電路結構如圖示:
1.        AC輸入先經保險絲作保護,再經熱敏電阻R1作開機時電容充電之電流限制,於低功率供電器,此電阻可能只是一枚普通5-10ohm電阻,甚至不用。
2.        C1、T1及C2組成EMI 濾波器,減低此開關式電源對外之電磁干擾。電腦電源供應器由於總功率較高,會有二至三級EMI 濾波器。
3.        D1-D4為橋式整流電路,在電腦電源供應器,通常會見到的是單一枚四腳橋式整流子,取代四枚獨立整流子。在較大功率(>300W)之電源供應器上,此橋式整流子多加裝散熱器。
4.        C3為主高壓電容,在沒有Active PFC之電腦電源供應器上,將會是由兩枚200V電容串聯組成,以方便改變成AC110V或220V輸入。
5.        Q1是高壓開關管,通過T2-2、C5及R4的回輸,產生自動振盪電路。
6.        D5、R3及C4是T2反擊電壓之抑制電路。
7.        Q2是作為PWM控制,輸入訊號有兩路,一為從光電耦合器PIC817A之回輸訊號,一為通過R5及R6對Q1電流之限制訊號。
8.        光電耦合器是用作高低電壓之絕緣,供電是由C6及D6整流電路提供。
9.        在T1的輸出方面,D7及C8提供整流,再加上L1及C9之EMI濾波,供應最終所需之輸出電壓。
10.        此電路為反激式開關電源結構(Flyback Switching Topology),特徵是T2-1及T2-3之繞組方向是相反,即Q1關閉時D7才有電流通過,是與其他開關電源結構主要不同之處。
11.        R7及R8檢測輸出電壓至參考電壓比較器TL431產生修正訊號,通過光電耦合器PIC817A回輸至Q2完成電壓穩定功能。
12.        T2-4繞組、D8及C7只出現於電腦電源供應器上,此電路是供電于主要電壓(+12V、+5V、+3.3V、-12V)之PWM電路,如有主動功率系數較正電路,該控制晶片亦是從這裡供電。


More about 測試高壓擊穿或短路使用保險絲只會不停浪費,應該在AC220V輸入前串聯一個60-100W燈泡以作短路保護。燈絲在室溫時內阻較低、約50-100ohm,電路在無負荷時,正常工作電流很少,燈泡不會影響電路工作。但當短路時,燈泡會點亮,同時內阻會升高並限制電流以保護電路。



More about 隔離變壓器之作用
文中時常提到維修時須於AC220V輸入端使用隔離變壓器(Isolated transformer),其實隔離變壓器如何能減低觸電危險? 從圖中可看到使用隔離變壓器後,高壓AC之電流迴路被切斷,人體任可一點接觸到工作中之電路,不會有觸電危險。但使用隔離變壓器並非百份百安全,如果身體有2點接觸到工作中之電路,只要有足夠之電位差,仍有觸電之危險,因此在帶電測試時,身體任可一部份都不應接觸到工作中之電路。使用隔離變壓器能大大減低觸電之危險,因此成為有機會接觸到高壓AC的工場、實驗室之基本安全設備。

圖11: 使用隔離變壓器之原因


圖12: 筆者使用磁漏較少之環形隔離變壓器


圖13: 隔離變壓器安裝在機箱後的樣貌

DIY COMMENT電腦電源供應器之+5V standby供電部份跟一般外置式供電器的結構差不多,通過此個案,讀者能更了解此類開關式電源之工作原理,及更明瞭筆者之維修過程。
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真係好正呀.......

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好詳細 增長知識

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深深佩服樓主精神,雖然十元八塊,箇中樂趣

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有技術好文~

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繼續學習。

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又一編技術好文,感謝!!!

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呢類火牛,我成日都用壞………
最近燒嗰幾隻係Netgear Switch嘅牛牛……

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原來係用把鋸仔 鋸開個殼! 學到嘢

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