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認識你的電源供應器

2019-01-30  zeek88
上次跟各位研究過一顆典型的半橋式電源後,這次在下繼續"野狼獻曝",跟各位來探討一款典型單晶順向式電腦用電源供應器以及其故障發生點。


此次準備分析的300W電源內部電路板,電路板上零件數目不少,幾乎佔據所有的空間,電路板本體採用防火的材質製作。


電路板背面,圖片中標示及分區指出該電源供應器各部份的迴路區塊。


輸入EMI濾波電路,除了交流輸入採用一體式EMI濾波插座,電路板上也設有第二階濾波電路。
紅框處為交流輸入保險絲,使用可更換的防爆型保險絲,瓷色外管也以色碼標示其規格。


構成EMI電路的所有元件,這裡使用兩組共模態電感串聯以及兩顆Cx電容並聯,利用感值以及容值的差異來增加EMI雜訊濾除範圍。


全波/倍壓整流電路區的零件,使用標準的橋式整流器,濾波電容採用兩顆松下200V 680uF 85度電解電容,每顆電容並聯一顆MOV元件(紅框內的元件)以及放電用的電阻。
這裡的電路透過電壓選擇開關,於115V輸入時切換成倍壓整流,230V輸入時則為全波整流模式,使直流輸出電壓均可維持於325V左右,來供應功率級一次側使用。


將整流電路區的元件拆卸後,電路板上突然發現一個燒焦的地方,元件燒燬的高溫使黑色的焦油狀物質覆蓋在該處,不過因為採用防火電路板的緣故,並無更嚴重的燒穿情形。


開始進行故障點檢查,使用電錶歐姆檔測量保險絲,其已呈現斷路,代表電源供應器內部存在短路情形,使保險絲過電流燒燬。


接著檢查MOV元件,燒焦位置旁邊的MOV經測量後呈現高阻抗,代表該MOV元件為正常(MOV平常為開路狀態)。


測量位於燒焦位置上方的MOV,呈現出僅數歐姆(紅框中所示的7.7歐姆)的低阻抗狀態,代表其已經發生擊穿短路。


因為MOV在兩端電壓超出其規格值後,會呈現近似短路,所以將熱縮套管外皮剝開後,可以看到該MOV因為承受短路電流的大能量,已經燒燬爆開,外包的熱縮套管避免元件燒燬影響其他零組件,擴大災情,不過包熱縮套管最主要的目的是延長並維持其短路狀態,除了阻止故障電流流進後端電路外,也讓保險絲有足夠時間來熔斷。
在維修時不僅要更換保險絲,還需要將燒燬的MOV更換同規格品,方可繼續提供輸入保護機能。
由MOV的擊穿現象得知,此顆電源應為送錯電所導致的故障。


功率級一次側開關元件,使用一顆固定在散熱片上的大功率MOSFET作為單晶順向式電路拓墣的主開關晶體,比較特別的是右側紅框內較小的MOSFET,是作為副開關晶體使用,搭配左側紅框內的MOSFET驅動板來輔助主開關晶體進行切換,其目的是利用主開關截止時變壓器內部磁化電流,提高其電路交換性能。
因為單晶順向式的功率晶體需要承受兩倍輸入電壓的應力,以輸入電壓325V來說,需要採用耐壓達800V的MOSFET,其成本比起半橋式電路要昂貴不少。


單端式PWM電路用來產生可變任務週期(Duty Cycle)的脈波信號,提供開關晶體使用,並監視開關晶體電流以及限制其最大功率(OLP電路製作於此),上方一排光耦合元件的左側兩顆是電源管理電路用來傳遞啟動以及異常信號,以控制PWM控制器的輸出與截止,並維持高壓與低壓電路的隔離。


紅框為輔助電源電路區,這裡採用整合式交換元件,所以只看到一顆DIP-8封裝的PI TOP210以及一些所需的週邊元件,有助於簡化電路設計以及元件使用數量。


主要變壓器,負責電源供應器大部分電源的輸出與功率傳遞,其容量規格決定電源供應器輸出能力,而除了交換損失外,變壓器損失也是決定電源供應器交換效率的重要因素之一。


主要變壓器二次側繞組,主要用來輸出5V、12V以及-12V,3.3V部分則是透過磁性放大電路經5V繞組來進行降壓以及調整,雖然3.3V與5V迴路都有獨立的整流元件,但是因為共用一個二次繞組,所以大部分的電源供應器,其3.3V與5V的輸出總和功率是一併計算的。


右方紅框的電感為3.3V電路用電感,作為磁性放大電路的一部份,其磁芯的B-H曲線較一般磁芯不同,可透過控制其磁化電流使其具有類似串聯式降壓電路的操作表現。
左方紅框為5V/12V整流元件使用的緩衝電路(Snubber),利用電阻與電容串聯,跨接於二次側繞組端,用來改善整流元件di/dt以及加大SOA(安全操作區),避免其損壞。
上圖的整流元件都有使用絕緣導熱貼片與塑膠墊片進行絕緣,並將散熱片接地來避免發生散熱片帶電現象。


二次側整流用功率元件,構造為兩顆N極相接的SBD(蕭特基障壁二極體),將其封裝於同一外殼之中,使其有相同溫度係數以及特性表現。


二次側輸出濾波電路,主要由電感、電容等元件構成,上方白色物質為固定膠。


-5V以及-12V則是經過固定在散熱片上的負電壓三端子穩壓IC-7905及7912來穩定其輸出。


各路電壓輸出端,三個紅框處為分流器,當電流流過其上時,會於兩端產生壓降,可以依照I=V/R來判讀電流值,每路輸出都有獨立的分流器,作為OCP電流偵測之用。

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