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ATX电源分析=及故障检修实例一

 葫芦岛交友 2010-04-12
 计算机电源的输入为高压交流市电,要求输出为高稳定性低压直流。目前的常见产品主要采用脉冲变压器耦合型开关稳压电源,主要的转换过程为: 高压市频交流-(整流、滤波)>高压直流-(调制)>高压高频交流-(变压)>低压高频交流-(整流、滤波)>低压直流 由输入端算起,分为交流抗干扰电路、功率因数校正电路、高压整流滤波电路、开关电路、低压整流滤波电路5个主要部分。 交流抗干扰电路 为避免电网中的各种干扰信号影响高频率、高精度的计算机系统,防止电源开关电路形成高频扰窜,影响电网中的其他电器等;各种电磁、安规认证都要求开关电源配有抗干扰电路。 主要结构为П型共模、差模滤波电路,由差模扼流电感、差模滤波电容、共模扼流电感、共模滤波电容组成;一般应有两级,分别在交流电源线插座与电路版输入端。 功率因数校正电路 开关电源传统的桥式整流、电容滤波电路令整体负载表现为容性,且使交流输入电流产生严重的波形畸变,向电网注入大量的高次谐波,功率因数仅有0.6左右,对电网和其他电气设备造成严重的谐波污染与干扰。因此,我国在2003年开始实施的CCC中明确要求计算机电源产品带有功率因数校正器(Power Factor Corrector,即PFC),功率因数达到0.7以上。 PFC电路分为主动式(有源)与被动式(无源)两种: 主动式PFC本身就相当于一个开关电源,通过控制芯片驱动开关管对输入电流进行"调制",令其与电压尽量同步,功率因数接近于1;同时,主动式PFC控制芯片还能够提供辅助供电,驱动电源内部其他芯片以及负担+5VSB输出。主动式PFC功率因数高、+5VSB输出纹波频率高、幅度小,但结构复杂,成本高,仅在一些高端电源中使用。目前采用主动式PFC的计算机电源一般采用Boost converter(即升压转换器)式设计,电路原理图如下: 被动式PFC结构简单,只是针对电源的整体负载特性表现,在交流输入端,抗干扰电路之后串接了一个"大号"电感,强制平衡电源的整体负载特性。被动式PFC采用的电感只需适应50~60Hz的市电频率,带有工频变压器常用的硅钢片铁芯,而非高频率开关变压器所采用的铁氧体磁芯,从外观上非常容易分辨。被动式PFC效果较主动式PFC有一定差距,功率因数一般为0.8左右;但成本低廉,且无需对原有产品设计进行大幅度修改就可以符合CCC要求,是目前主流电源通常采取的方式。 



 高压整流滤波电路 目前的各种开关电源高压整流基本都采用全桥式二极管整流,将输入的正弦交流电反向电压翻转,输出连续波峰的"类直流",再经过电容的滤波,就得到了约300V的"高压直流"。 开关电路 开关电源的核心部分,主要由精密电压比较芯片、PWM芯片、开关管、驱动变压器、主开关变压器组成。精密电压比较芯片将直流输出部分的反馈电压与基准电压进行比较,PWM芯片根据比较结果通过驱动变压器调整开关管的占空比,进而控制主开关变压器输出给直流部分的能量,实现"稳压"输出。使用驱动变压器的目的是为了隔离高压(300V)区与低压区(最高12V),避免开关管击穿后高压电可能对低压设备造成的危害,也令PWM芯片无需接触高压信号,降低了对元件规格的要求。 脉冲变压器耦合型开关稳压电源主要的直流(高压到低压)转换方式有5种,其中适合作为计算机电源使用的主要为推挽式与半桥式,而推挽式多用于小型机、UPS等,我们常见的电源产品则基本都采用半桥式变换。近年由于半导体元件加工工艺的进步,也有少数产品采用了原本受到功率限制无法使用在个人计算机或服务器上的单端正激式变换方式,本次测试中的航嘉-宽幅王就是一例。 低压整流滤波电路 经过调制的高压直流成为了低压高频交流,需要经过再次整流滤波才能得到希望的稳定低压直流输出。整流手段与高压整流类似,仍是利用二极管的单向导通性质,将反向波形翻转。为了保证滤波后波形的完整性,要求互相配合实现360°的导通,因此一般采用快速恢复二极管(主要用于+12V整流)或肖特基二极管(主要用于+5V、+3.3V整流)。滤波仍是采用典型的扼流电感配合滤波电容,不过此处的电感不仅为了扼制突变电流,更为重要的作用是像高压滤波部分的电容一样作为储能元件,为输出端提供连续的能量供应。实际产品中高压整流滤波电路、开关电路、低压整流滤波电路是一个整体,虽然原理与前述基本相同,但元件个数、分布方式会有很大变化。例如采用半桥式电压变换的电源就有两个高压滤波电容,每一路直流输出对应两个整流管,各负责半个周期的输出;而采用单端正激式电压变换的电源则只有一个高压滤波电容,每一路直流输出对应两个整流管,工作时间按照开关管占空比分配。 其他较为重要的部分还有辅助供电电路与保护电路:辅助供电电路 一个小功率的开关电源,交流输入接通后即开始工作。300V直流电被辅助供电开关管调制成为脉冲电流,通过辅助供电变压器输出二路交流电压。一路经整流、三端稳压器稳压,输出为+5VSB,供主板待机所用;另一路经整流滤波,输出辅助+12V电源,供给电源内部的PWM等芯片工作。 主动式PFC具有辅助供电的功能,可以提供+5VSB及电源内部芯片所需电压;故采用主动式PFC的电源可以省略掉辅助供电部分,只使用两个开关变压器。 保护电路 电源产品具有的主要保护措施有7种: 1、输入端过压保护:通过耐压值为270V的压敏电阻实现; 



 2、输入端过流保护:通过保险丝;





 3、输出端过流保护:通过导线反馈,驱动变压器就会相应动作,关断电源的输出;





 4、输出端过压保护:当比较器检测到的输出电压与稳压管两端的基准电压偏差较大时,就会对电压进行调整;





 5、输出端过载保护:过载保护的机理与过流保护一样,也是通过控制电路和驱动变压器进行的; 6、输出端短路保护:输出端短路时,比较器会侦测到电流的变化,并通过驱动变压器、关断开关管的输出; 7、温度控制:通过温度探头检测电源内部温度,并智能调整风扇转速,对电源内部温度进行控制; 



 了解了开关电源的工作原理,我们再来看看计算机高速发展的这十余年间,电源又走过了怎样的历程? PC/XT——IBM最先推出个人PC/XT机时制定的标准; AT——也是由IBM早期推出PC/AT机时所提出的标准,当时能够提供192W的电力供应; ATX——Intel公司于1995年提出的工业标准,与AT比较主要变化为:1、取消了AT电源上必备的电源开关而交由主板进行电源开关的控制,增加了一个待机电路为电源主电路和主板提供电压来实现电源唤醒等功能;2、ATX电源首次引进了+3.3V的电压输出端,与主板的连接接口上也有了明显的改进; ATX 12V——支持P4的ATX标准,是目前的主流标准;ATX12V_1.1:在ATX的基础之上增加了4pin的+12V辅助供电线(P10)为P4处理器供电,改变了各路输出功率分配方式,增强+12V负载能力; ATX12V_1.3:提高了电源效率,增加了对SATA的支持。去掉了-5V输出,增加了+12V的输出能力;ATX12V_2.0:尚未有产品实施的最新规范;电源连接器由20针改为24针,以支持75W的PCI Express总线,同时取消辅助电源接口;提供另一路+12V输出,直接为4Pin接口供电;WTX——ATX电源的加强版本;尺寸上比ATX电源大,供电能力也比比ATX电源强,常用于服务器和大型电脑;BTX——现有架构的终 结者;电源输出要求、接口等支持ATX12V、

 ATX电源各路输出功能说明: +5V :传统的半导体电路供电,驱动各种驱动器的控制电路、主板连接设备、USB外设等,为Socket370及部分Socket-A CPU供电,近两年又增加了为高端显卡供电的用途。因此,在不使用+12V为CPU供电的系统中是负载最重的一路输出。 +12V:传统的直流电机驱动供电,新兴的CPU供电——驱动各种驱动器的电机、散热风扇,部分主板连接设备等。从P4系统开始,由于CPU功耗增大,对供电的要求提高,而增加了4Pin插头提供+12V电压给主板,经变换后为CPU供电;后来鉴于Athlon XP和新Duron CPU的功耗同样不容小觑,部分Socket A主板也采用了这种+12V辅助供电的设计。驱动器较多的系统中,开机时各驱动器电机同步启动,+12V会出现较大的峰值电流,对电源提出了特别的要求——能够瞬时间承受较大的电流而保证输出电压稳定。因此,Intel ATX/ATX12V标准中对+12V还规定了一个较最大电流高约20%的"峰值电流(Peak Current)"。 +3.3V :传统的信号电压,新兴的芯片供电——经主板变换后驱动芯片组、内存等,驱动主板连接设备、SATA驱动器的部分控制电路等。由于目前应由+3.3V供电的设备中功率最大的中高端显卡多采用外接+5V辅助供电,+3.3V的负载一般较轻,但逐渐普及的SATA设备、新发布的PCI 3.0标准、Intel的ATX/ATX12V 1.3版规范无不表明+3.3V负载的增加乃大势所趋。 +5VSB :即+5V Standby,是在系统关闭后保留的待机电压,用于对系统唤醒的支持。+5VSB采用一个单独的变换电路,只要输入正常且电源开关闭合,+5VSB就处在工作状态,可驱动待机负载。最初的ATX 1.0标准只要求+5VSB电流达到0.1A,但随着CPU和主板功耗的提高,0.1A已经无法满足系统要求,因此现在的ATX 2.1标准中要求+5VSB电流可达到2A。 -5V :主要用于驱动某些ISA板卡电路,极少用到,输出电流通常小于1A。 -12V:由于某些串口的放大电路需要用到+12V和-12V,但电流要求并不高,因此-12V输出电流通常小于1A。 目前的大体趋势为:将+5V的负载逐渐分担给+12V与+3.3V,减少功耗与损耗的同时平衡各路的负载分配,延长目前ATX电源设计方式的"寿命"。 ATX电源的知识及使用 本文作者:陈忠民 电源在PC的价格构成中仅占很小的比例,却关乎机器的运行质量和寿命。品牌机为了确保产品质量,都非常重视电源的配置。那么DIY一台PC,应该如何选择电源,又如何排除使用中所出现的各种问题呢? ATX电源的质量指标 ATX电源的生产厂家不同,性能上会有很大的差异。劣质电源是PC的灾难,DIYer在选择时可要睁大眼睛。 1.功率 典型的多媒体微机主机的实际功率不足100W。不过通常需要为整机保留一定的余量,这样做的目的一是为了满足日后添加新设备之需,二是因为在计算机启动时需要的功率比平时要大一些。因此,真正200W的电源就能满足要求了。 一般来说,电源的型号和它本身的真实功率生产厂家是很清楚的,但普通消费者在买电源时不要想当然地为型号后面的数字所迷惑。例如有人以为YH-2503C型电源的功率是250W,但实际上是200W,而不是250W。还应注意功率指标名称上的差别,有"平均功率"、"最大功率"、"额定功率"多种说法,看清楚具体是哪一种。 2.输出电压稳定性 ATX电源的另一个重要参数是输出电压的误差范围,通常对+5V、+3.3V和+12V电压的误差率要求为5%以下,对-5V和-12V电压的误差率要求为10%以下。输出电压不稳定,或纹波系数大,是导致系统故障和硬件损坏的罪魁祸首。 ATX电源的主电源基于脉宽调制(PWM)原理,其中的调整管工作在开关状态,因此又称为开关电源。这种电源的电路结构决定了其稳压范围宽的特点。一般地,市电电压为220±20%波动时,电源都能够满足上述要求。  可将市电通过调压器接到开关电源输入端,在输出端所接假负载不变的情况下,调节调压器输出电压在180V至260V之间变化,对电源输出电压进行测量。正常情况下,输出端±5V电源变化应在±0.2V以内,±12V电源变化不应超过±0.5V。 3.纹波电压 纹波电压是指电源输出的各路直流电压中的交流成分。作为计算机的供电电源,对其输出电压的纹波有较高的要求。纹波电压的大小,可以使用数字万用表的交流电压档很方便地测出,测出的数值应在0.5V以下。 4.可靠性 衡量一台设备可靠性的指标,一般采用MTBF(Mean Time Between Falure,平均故障间隔时间),单位为"小时"。电源设备工作可靠性,参照品牌PC的相关质量标准,其MTBF应不小于5000小时。 一些商家为了节约成本,将构成EMI滤波器的所有元件都省去了,平滑滤波器的电容容量和耐压不足,元器件在装配之前也没有经过必要的筛选程序,电路制作工艺粗糙,以致电源产品故障率很高。 常年持续工作的场合所使用的服务器或工作站,除了要选择高稳定性、高可靠性的电源之外,还应采用具有热插拔特性的电源,以实现不停机维修。 5.安全和质量认证 为了确保电源使用中的可靠性和安全性,每个国家或地区都根据自己各自不同的地理状况和电网环境制定了不同的安全标准。通过的认证规格越多,说明电源的质量和安全性越高。现在电源的安全认证标准主要有FCC、UL、CSA、GS和CCEE认证等。电源产品至少应具有这些认证标志之一,有了这些认证标志的产品,算是可以信得过的。 中国电工产品安全认证委员会(简称CCEE)是我国唯一的电工产品安全认证机构。CCEE认证是电工产品的强制性认证标准,即凡是在我国市场上销售的电子产品都必须被强制通过这一认证。CCEE认证为白底绿色图案,由代表中国和长城的符号组成,所以CCEE认证又被称为长城认证。凡经过认证的产品,都可以按照机壳上的认证号在CCEE的网站http//www.ccee.com.cn上查询到,这样可以帮助用户辨别真伪。 此外,可打开电源盒盖看其内部的做工是否讲究,如果电路板上有些地方空着,或用电线短接,定是偷工减料的劣质品。相比之下,在信誉好的大商店购买的产品,一般比较令人放心。 劣质电源的平时表现 一些劣质电源表面上看起来工作挺正常,并没有什么故障,但却"暗藏杀机",使机器出现一些莫名其妙的故障。劣质电源的危害,通常表现在以下几个方面: ·死机、程序出错、音箱中有杂音 原因是电源中省去了EMI滤波器(电感、电容等),抗干扰能力极差,来自电网的任何干扰都会使机器的正常运行受到影响。 ·导致硬盘出现坏道 原因是平滑滤波器电容容量小,输出直流电压纹波大,导致硬盘转速不稳和磁头抖动,使得磁头与高速旋转的盘片碰撞。 ·光驱读盘能力差 原因是电源功率不足,主要是开关管、开关变压器、整流二极管等器件功率小。光驱读盘时,主轴电机启动,使整机电流突然增加,如果电源功率不足,就会使供电电压(+5V和+12V)降低,导致光驱中的控制电路工作失常。 故障诊断 采用ATX电源的计算机系统出了故障,要从CMOS设置、Windows中ACPI的设置及电源和主板等几个方面进行全面的分析。硬件方面,为了区别故障在负载上还是在电源本身,可以将电源拆卸下来,用一台报废的设备(如硬盘等)作假负载,以免出现空载保护。在PS-ON信号线(绿色)与地线之间接入一只100~150Ω的电阻,使该信号变为低电平。如果电源可以工作,说明故障在主板或电源按钮(Power Button),否则故障在电源自身,只有更换电源自身,只有更换电源了。 根据计算机维修中"先软后硬"的原则,首先要检查BIOS设置是否正确,排除因设置不当造成的假故障;第二步,检查ATX电源中辅助电源和主电源是否正常;第三步,检查主板电源监控电路是否正常。下面根据故障的不同表现,分别介绍分析和处理的方法。【故障一】 无法开机 用万用表测量+5VSB,如果该电压值正常且稳定,而主板反馈信号PS-ON始终为高电平,则可能是主板上的开机电路损坏,或电源启闭按钮损坏;如果上述两者均为正常而主电源仍无输出,则可能是开关电源主回路损坏,或因负载存在短路或空载而进入保护状态。

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