修牛記-電源供應器研究系列(四)-重溫

本帖最後由 jwong852 於 2015-9-26 17:39 編輯

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SERIES 04
text.photo/庖丁
變壓器維修研究系列(四)
整流電路故障

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:EnerPlus mATX 300W
此次維修的電源供應器是 EnerPlus mATX 300W,無UL註冊號碼,所以查不出原生產廠商。此電源供應器的問題是完全沒有反應,筆者先給予 AC220V 供電,測試 「+5V standby」 有沒有輸出。此輸出位是在 ATX 主電源插頭的第 9 針腳 (紫色電線),其正常電壓應在 4.75V 至 5.25V 之間,現在是完全沒有輸出。



內部拆解
先拔掉AC220V電源,開蓋研究內部結構,所有零件皆在同一線路板上。從底板上的印刷,可得知原生產廠商為「廣州市力為」。此電源供應器不帶功率系數較正電路(PFC : Power Factor Correction),AC輸入EMI瀘波有只有一級,略為不足,主要高壓電容採用2個印有「DM」不知名廠商的470uF 200V 85゚C電容。主電源之PWM控制器為TI的 TL3843,推動1枚高壓MOSFET,組成單端前推式開關電源結構 (Single End Forward Switching Topology),常見於100-300W之電源供應器上。
+5V standby電源採用分立式原件組成自振式電路。輸出電容印有「BH」,估計為香港保雅集團PRO-AN ELECTRONIC之電容。輸出保護採用Silicon General的 SG6510(現已成為Fairchild旗下產品),此IC提供輸出過高、過低電壓保護,但沒有輸出電流過高保護。輸出線材只使用AWG20,一般200W之mATX供電器都已使用更粗的AWG18電線。









維修過程
一開始已經看到保險絲已明顯地被燒毀,應該有其他零件損壞,不能馬上供電測試。先測量高壓電容淨餘電壓,確保電容已經完全放電,才以電錶量度保險絲其後之電路阻抗,發現AC輸入端阻抗非常低,再量得4枚編號RL257(規格為2.5A、1000V)之輸入整流子中有2枚短路。在此情況下,高壓交流電擊穿整流子後會進一步破壞其他零件,拆下所有整流子,繼續檢查,高壓電容兩端阻抗正常,沒有短路,再檢查+5V standby部份之零件內阻,所有晶體管之內阻皆正常,但有2枚編號1N4148之二極管內部短路,估計為高壓整流子被擊穿時所波及。+5V standby之底板銅薄亦有2處被燒毀。




以編號PBL405耐壓600V、電流4A之整流堆取代原本4枚整流子,更換損壞了的2枚1N4148,以電線修補底板燒斷之銅薄。首先用DC30V供電,由於+5V standby使用分立式原件,一般供電DC30V都能起動,現在+5V standby輸出已回復正常。

裝回一枚新的保險絲,再將供電升至AC220V,好讓主PWM及其電路有足夠電壓工作,將 ATX 主電源插頭綠色電線跟黑色電線短路,+12V、+5V、+3.3V、-12V 及 Power Good Signal (主電源插身灰色電線) 均輸出正常,証明主電壓輸出部份在高壓整流子被擊穿而保險絲未燒斷之一舜間幸未被波及。接主板亦能正常起動,維修工作至此完結。

技術淺談
電路如何將電壓轉變,此稱之謂電路結構(Topology),此結構決定各主要零件(開關管、整流子、電感器及電容)在電路上的接法。此四種元件的額定電流處理能力應隨供電器之最大輸出而增加。等於坊間所說的”足料”與否。不同電路結構各有優劣,在不同應用中能選擇合適的結構至為重要,下面將介紹各種電路之基本結構。


1.        降壓式結構(Buck Topology),亦稱正激式結構(Forward Topology)
Q1將輸入直流電壓作高頻率開關,然後經L1及C1組成的濾波電路輸出所需的直流電壓,於Q1關閉時D1提供L1放電迴路,使輸出電流連續而穩定。此種結構只能將輸入電壓降低,輸出電壓值是根據PWM之佔空比(Duty Cycle)而決定。

2.        升壓式結構(Boost Topology)
Q2將輸入直流電壓作高頻率開關提供電流給L2,當Q2關閉時L2之電流會經D2輸出至C2,輸出電壓為輸入直流電壓加上L2之放電電壓,故此種結構是升壓式電路。由於輸入之電流等於L2電流,此電流為連續電流,因此為主動功率系數較正(Active Power Factor Correction)電路所採用。

3.        反激式結構(Flyback Topology)
Q3將輸入直流電壓作高頻率開關供電給L3,當Q3關閉時L3之電流會經D3輸出至C3,輸出電壓是L3之放電電壓,故輸出為負電壓,但輸出電壓可以比輸入電壓高或低。

此3種基本結構由於未能提供輸入輸出隔離作用,在電腦的電源供應器上不能直接使用,否則有觸電危險,必須加入高頻變壓器以作分隔,亦由於變壓器之圈數比是可以設定為任何比例,之前所提及的升降壓限制亦不存在,加入高頻變壓器後,各基本結構之變化如下。


1.        隔離正激式結構(Isolated Forward Topology)
        由於降壓限制不存在,故不能稱之謂”隔離式降壓結構”。加入變壓器後,須增加一整流子D11,以被免C1之電流經L1及變壓器倒流。開關管之位置亦移至低壓端,以方便工作於低電壓的PWM控制器推動。留意變壓器之輸入繞組是跟輸出繞組同方向,不能弄錯。


2.        隔離升壓式結構(Isolated Boost Topology)
        加入變壓器後,電感器的功能可以兼併至變壓器內,方法是將變壓器的磁芯增加一空隙,以增加磁飽和之上限。之前有部份的輸出電壓是來自於輸入電壓,由於需要隔離,變壓器之公共端現只能接回輸出電容的負極。最後演變成的結構將會跟隔離反激式結構一樣。
3.        隔離反激式結構(Isolated Flyback Topology)
加入變壓器後,如隔離式升壓結構一樣,電感器的功能可以兼併至變壓器內,開關管之位置亦移至低壓端。輸出方面,完本之負電壓輸出端,現接至輸出之公共端,原本之公共端,現作為正電壓輸出端。留意變壓器之輸出繞組方向跟正激式剛好相反。

現今電腦之電源供應器,會同時使以上各種結構。由於正激式結構適合大功率輸出之用,一般200W以上之供電器均採用作主電壓輸出(+12V、+5V、+3.3V及-12V)。而主動功率系數較正(Active Power Factor Correction)電路並不需要將輸入輸出隔離,則可採用基本升壓式結構。至於+5V standby部份,由於功率低,則採用隔離反激式結構,取其電路簡單及可省回輸出電感器。

More about
現今之電源供應器輸出電流越來越大,輸出需要更粗的電線,常用之電線規格標準為AWG(American Wire Gauge),AWG號碼越小代表電線的銅芯直徑越大,能承受更大的電流。 此外更粗的電線內阻更低、損耗更少,對供應給電腦的電壓更穩定。一般200-500W之電源供應器多使用AWG18號線材,500W以上開始採用AWG16號線材,一般輸出電線身上都印有AWG規格編號,用戶應該很容易找到。



DIY COMMENT
認識開關式電源之電路結構只是第一步,以後將再介紹電腦電源供應器上其他部份之操作原理。電源供應器須長時間於高電壓工作,內部質數較差之零件,除造成電源供應器本身損壞外,亦有可能波及其他電腦配件,選用電源供應器,應選用有UL安全認証之產品。
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