修牛記-電源供應器研究系列(六)-重溫

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DIY                                        text.photo/庖丁
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現在越來越多電源供應器帶有主動式功率系數較正電路(Active Power Factor Correction),能增加用電之效率。由於APFC電路處於最前端,如遇雷電或停電後重開之極高電壓衝擊,保護電路反應不及,皆會破壞APFC電路,這期將介紹此類故障之個案。

電源供應器研究系列(六)
主動式功率系數較正電路(APFC)
之故障及維修

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。

HIPER TYPE R 580W
此次維修的是HIPER ATX 580W電源供應器,型號為HPU-4x580,從UL註冊號碼可以查出是由台灣ANDYSON INTERNATIONAL CO LTD代工生產。用戶發現總電源電箱跳了制,跟著便開不了電腦。量得AC輸入端之阻抗為無限大,相信內部保險絲已燒毀。

<Photo01>HIPER ATX 580W電源供應器


<Photo02>型號為HPU-4x580


內部拆解
開蓋研究,內部除主線路板外還有一APFC電路板。AC輸入EMI瀘波有2級,1級在輸入插座之小板,另1級在主板上。APFC使用ON-Semi NCP1653之控制器,推動1枚Infineon 20N60高壓MOSFET。高壓部份採用2個香港萬裕國際集團有限公司之SAMXON 820uF 200V 105゚C電容。主電源之PWM控制器為TI的 TL3842,推動2枚Infineon 20N60高壓MOSFET,組成雙開關正激式開關電源結構 (2-Switch Forward Switching Topology),常見於300-800W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。輸出均採用台系TEAPO電容。另有一垂直小板,上有ST的LM339 SO IC,內置4組電壓比較器,用作溫控風扇調速。輸出亦非使用電源保護專用IC,而是用一枚TI LM339 IC及大量外置零件產生Power Good訊號,及接收開機(PS_ON)訊號,只有電壓過高及過低保護,缺乏輸出電流過高保護,保護程度不足。

<Photo03>內部結構


<Photo04>APFC電路板


<Photo05>PWM控制(左)及輸出控制(右)


<Photo06>TI的 TL3842 PWM控制器


<Photo07>輸出保護只是一枚TI LM339,非電源專用IC


<Photo08>風扇調速小板



維修過程
查看高壓輸入部份,保險絲已嚴重燒毀破碎,2枚熱敏電阻(Thermistor)亦燒至爆裂,附近零件及線路板亦被燻黑。量度AC輸入之阻抗,電阻值非常低,整流子正負輸出端為完全短路。將APFC電路板拆下,整流子正負端阻抗回復正常,高壓電容兩端阻抗亦正常,短路應由APFC電路產生。
APFC電路上的高壓MOSFET及高速整流子是以串連式安裝於同一散熱板上,將兩者一并拆下,量度得雙雙已被擊穿短路。
更換保險絲、2枚熱敏電阻、高壓MOSFET及高速整流子,以DC30V供電,由於+5V standby使用分立式原件,一般都能起動,+5V standby有大約5V輸出。將供電升至AC110V,高壓電容兩端電壓升至380V,証明APFC工作已回復正常。
再將供電升至AC220V,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 (ATX主插頭灰色電線) 均輸出正常,接電腦主板亦能正常起動,維修工作至此完結。

<Photo09>輸入保險絲嚴重燒毀破碎


<Photo10>高壓MOSFET已被擊穿短路


<Photo11>上排為燒毀之零件,下排為全新零件



技術淺談: 功率系數較正(PFC)電路
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在簡單的電力計算:功率 = 電壓 X 電流。此情況適用於直流電路,及交流電路一舜間之功率,但交流電路之電壓及電流是不停變化、互相之間的相位亦可能不同步(即電壓於最高點時,電流不是最高點),功率不是等於交流電壓及電流的RMS值相乘,而是以微積分將舜間功率累積計算。

家居使用之交流電壓為正弦波,但電流不一定是正弦波,功率系數(Power Factor)是計算功率(Power)與電壓的RMS值(Vrms)及電流的RMS值( Irms)相乘的關係:

Power Factor = Power / (Vrms X Irms)

功率系數最大是1,最小是0。在相同電壓下,功率系數越大,產生同樣功率所需的電流越小,在供電線路上之損耗亦越小。

<Photo12>無功率系數較正(PFC)之電壓、電流波形圖


<Photo13>被動式功率系數較正(Passive PFC)之電壓、電流波形圖


<Photo14>主動式功率系數較正(Active PFC)之電壓、電流波形圖


從電壓、電流波形圖例可看到:無功率系數較正電源供應器之功率系數只有約0.3,電流之峰值很高。使用被動式功率系數較正(Passive PFC)之功率系數較正能提升至0.7。而使用主動式功率系數較正(Active PFC)之功率系數達0.9以上,接近理想值1,電流亦最低。

Passive PFC只是增加1個50Hz電感器於輸入端,仍需手動選擇AC110V/220V,一般應用於<200W之電源供應器上。

<Photo15>Passive及Active PFC之電路結構


Active PFC是使用開關式升壓電路將輸入電壓升至360-380V,開關頻率為20-50kHz,線路上之電感器為高頻設計,圈數比50Hz電感器少很多。此電路能於大部份時間從輸入提取電流,令電流波形接近電壓波形,即功率系數接近1。由於使用升壓電路,輸入AC90V至240V亦能工作,同時帶來自動適應全球電壓之好處。




功率系數較正有何好處?
雖然本港的電費是以功率小時(Whr)計算不理功率系數,但在同一功耗下,高功率系數代表所需電流較低,流經各電線之損耗亦較低,較安全。雖然在家居內之電線損耗很低,通常低於總功耗之1%,影響家居之電費不大,但在電力公司長程輸電網的損耗非常可觀,故很多國家早已將功率系數列入電費計算之內,功率系數越低費用越高。選用高功率系數之電器亦可為環保盡一分綿力。

More about 如何能知道有否帶APFC除了從規格書、標貼查看外,如功率在300W以上的電源供應器能自動適應全球電壓(90-240V),絕大部份帶主動式功率系數較正(APFC)電路,此亦能被免因錯誤選擇輸入電壓範圍而損壞。


DIY COMMENT如居住地方是使用架空電纜接入屋,應於電腦電源供應器前加設防雷裝置。如停電後,應將電腦之供電插頭拔離電源,以防恢復供電時之舜間高壓衝擊破壞電源供應器。
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支持直得看的修牛記

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又學到嘢,thx

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好專業!

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想問下 ACTIVE PFC 係點整,係咪一定有一粒 PWM IC?
周邊設計要如何?
做唔做到正負供電呢?

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普通人點會識睇...
RMS value 既定義都未必知
重講power factor

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繼續支持

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繼續支持 x 2,不過真係好複雜

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又有野學,支持

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