原创 ATX电源结构

2009-10-29 11:42 3192 0 1 分类: 消费电子

随着电脑的逐渐普及和深入到家庭,显示器已经成为维修界的一个亮点,ATX开关电源又将成为维修界的一个新的亮点。本文以市面上最常见的LWT2005型开关电源供应器为例,详细讲解最新ATX开关电源的工作原理和检修方法,对其它型号的开关电源供应器,也借此起到一个抛砖引玉的作用。


一、 概述


ATX开关电源的主要功能是向计算机系统提供所需的直流电源。一般计算机电源所采用的都是双管半桥式无工频变压器的脉宽调制变换型稳压电源。它将市电整流成直流后,通过变换型振荡器变成频率较高的矩形或近似正弦波电压,再经过高频整流滤波变成低压直流电压的目的。其外观图和内部结构实物图见图1和图2所示。


ATX开关电源的功率一般为250W300W,通过高频滤波电路共输出六组直流电压:+5V(<?XML:NAMESPACE PREFIX = ST1 />25A)、—5V0.5A)、+12V(10A)、—12V1A)、+3.3V14A)、+5VSB0.8A)。为防止负载过流或过压损坏电源,在交流市电输入端设有保险丝,在直流输出端设有过载保护电路。


二、工作原理


ATX开关电源,电路按其组成功能分为:输入整流滤波电路、高压反峰吸收电路、辅助电源电路、脉宽调制控制电路、PS信号和PG信号产生电路、主电源电路及多路直流稳压输出电路、自动稳压稳流与保护控制电路。参照实物绘出整机电路图,如图3所示。


1、输入整流滤波电路


只要有交流电AC220V输入,ATX开关电源无论是否开启,其辅助电源就会一直工作,直接为开关电源控制电路提供工作电压。如图4所示,交流电AC220V经过保险管FUSE、电源互感滤波器L0,经BD1BD4整流、C5C6滤波,输出300V左右直流脉动电压。C1为尖峰吸收电容,防止交流电突变瞬间对电路造成不良影响。TH1为负温度系数热敏电阻,起过流保护和防雷击的作用。L0R1C2组成Π型滤波器,滤除市电电网中的高频干扰。C3C4为高频辐射吸收电容,防止交流电窜入后级直流电路造成高频辐射干扰。R2R3为隔离平衡电阻,在电路中对C5C6起平均分配电压作用,且在关机后,与地形成回路,快速泄放C5C6上储存的电荷,从而避免电击。


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2、高压尖峰吸收电路


如图5所示,D18R004C01组成高压尖峰吸收电路。当开关管Q03截止后,T3将产生一个很大的反极性尖峰电压,其峰值幅度超过Q03C极电压很多倍,此尖峰电压的功率经D18储存于C01中,然后在电阻R004上消耗掉,从而降低了Q03C极尖峰电压,使Q03免遭损坏。



3、辅助电源电路


如图6所示,整流器输出的+300V左右直流脉动电压,一路经T3开关变压器的初级①~②绕组送往辅助电源开关管Q03c极,另一路经启动电阻R002Q03b极提供正向偏置电压和启动电流,使Q03开始导通。Ic流经T3初级①~②绕组,使T3~④反馈绕组产生感应电动势(上正下负),通过正反馈支路C02D8R06送往Q03b极,使Q03迅速饱和导通,Q03上的Ic电流增至最大,即电流变化率为零,此时D7导通,通过电阻R05送出一个比较电压至IC3(光电耦合器Q817)的③脚,同时T3次级绕组产生的感应电动势经D50C04整流滤波后,一路经R01限流后送至IC3的①脚,另一路经R02送至IC4(精密稳压电路TL431),由于Q03饱和导通时次级绕组产生的感应电动势比较平滑、稳定,经IC4K端输出至IC3的②脚电压变化率几乎为零,使IC3内发光二极管流过的电流几乎为零,此时光敏三极管截止,从而导致Q1截止。反馈电流通过R06R003Q03be极等效电阻对电容C02充电,随着C02充电电压增加,流经Q03b极电流逐渐减小,使③~④反馈绕组上的感应电动势开始下降,最终使T3~④反馈绕组感应电动势反相(上负下正),并与C02电压叠加后送往Q03b极,使b极电位变负,此时开关管Q03b极无启动电流而迅速截止。 开关管Q03截止时,T3~④反馈绕组、D7R01R02R03R04R05C09IC3IC4组成再起振支路。当Q03导通的过程中,T3初级绕组将磁能转化为电能为电路中各元器件提供电压,同时T3反馈绕组的④端感应出负电压,D7导通、Q1截止;当Q03截止后,T3反馈绕组的④端感应出正电压,D7截止,T3次级绕组两个输出端的感应电动势为正,T3储存的磁能转化为电能经D50C04整流滤波后为IC4提供一个变化的电压,使IC3的①、②脚导通,IC3内发光二极管流过的电流增大,使光敏三极管发光,从而使Q1导通,给开关管Q03b极提供启动电流,使开关管Q03由截止转为导通。同时,正反馈支路C02的充电电压经T3反馈绕组、R003Q03be极等效电阻、R06形成放电回路。随着C41充电电流逐渐减小,开关管Q03Ub电位上升,当Ub电位增加到Q03be极的开启电压时,Q03再次导通,又进入下一个周期的振荡。如此循环往复,构成一个自激多谐振荡器。 Q03饱和期间,T3次级绕组输出端的感应电动势为负,整流二级管D9D50截止,流经初级绕组的导通电流以磁能的形式储存在辅助电源变压器T3中。当Q03由饱和转向截止时,次级绕组两个输出端的感应电动势为正,T3储存的磁能转化为电能经D9D50整流输出。其中D50整流输出电压经三端稳压器7805稳压,再经电感L7滤波后输出+5VSB。若该电压丢失,主板就不会自动唤醒ATX电源工作。D9整流输出电压供给IC2(脉宽调制集成电路KA7500B)的12脚(电源输入端),经IC2内部稳压,从第14脚输出稳压+5V,提供ATX开关电源控制电路中相关元器件的工作电压。T2为主电源激励变压器,当副电源开关管Q03导通时,Ic流经T3初级①~②绕组,使T3~④反馈绕组产生感应电动势(上正下负),并作用于T2初级②~③绕组,产生感应电动势(上负下正),经D5D6C8R5Q02b极提供启动电流,使主电源开关管Q02导通,在回路中产生电流,保证了整个电路的正常工作;同时,在T2初级①~④反馈绕组产生感应电动势(上正下负)D3D4截止,主电源开关管Q01处于截止状态。在电源开关管Q03截止期间,工作原理与上述过程相反,即Q02截止,Q01工作。其中,D1D2为续流二极管,在开关管Q01Q02处于截止和导通期间能提供持续的电流。这样就形成了主开关电源它激式多谐振电路,保证了T2初级绕组电路部分得以正常工作,从而在T2次级绕组上产生感应电动势送至推动三极管Q3Q4c极,保证整个激励电路能持续稳定地工作,同时,又通过T2初级绕组反作用于T1主开关电源变压器,使主电源电路开始工作,为负载提供+3.3V、±5V、±12V工作电压。


4PS信号和PG信号产生电路以及脉宽调制控制电路


如图7所示,微机通电后,由主板送来的PS信号控制IC2的④脚(脉宽调制控制端)电压。待机时,主板启动控制电路的电子开关断开,PS信号输出高电平3.6V,经R37到达IC1(电压比较器LM339N)的⑥脚(启动端),由内部经IC1的①脚输出低电平,使D35D36截止;同时,IC1的②脚一路经R42送出一个比较电压对C35进行充电,另一路经R41送出一个比较电压给IC2的④脚,IC2的④脚电压由零电位开始逐渐上升,当上升的电压超过3V时,关闭IC2⑧、11脚的调制脉宽电压输出,使T2推动变压器、T1主电源开关变压器停振,从而停止提供+3.3V、±5V、±12V等各路输出电压,电源处于待机状态。受控启动后,PS信号由主板启动控制电路的电子开关接地,IC1的⑥脚为低电平(0V,IC2的④脚变为低电平(0V),此时允许⑧、11脚输出脉宽调制信号。IC213脚(输出方式控制端)接稳压+5V (IC2内部14脚稳压输出+5V电压),脉宽调制器为并联推挽式输出,⑧、11脚输出相位差180度的脉宽调制信号,输出频率为IC2的⑤、⑥脚外接定时阻容元件R30C30的振荡频率的一半,控制推动三极管Q3Q4c极相连接的T2次级绕组的激励振荡。T2初级它激振荡产生的感应电动势作用于T1主电源开关变压器的初级绕组,从T1次级绕组的感应电动势整流输出+3.3V、±5V、±12V等各路输出电压。


D12D13以及C40用于抬高推动管Q3Q4e极电平,使Q3Q4b极有低电平脉冲时能可靠截止。C35用于通电瞬间关闭IC2的⑧、11脚输出脉宽调制信号脉冲。ATX电源通电瞬间,由于C35两端电压不能突变,IC2的④脚输出高电平,⑧、11脚无驱动脉冲信号输出。随着C35的充电,IC2的启动由PS信号电平高低来加以控制,PS信号电平为高电平时IC2关闭,为低电平时IC2启动并开始工作。


PG产生电路由IC1(电压比较器LM339N)、R48C38及其周围元件构成。待机时IC2的③脚(反馈控制端)为零电平,经R48使 IC1的⑨脚正端输入低电位,小于11脚负端输入的固定分压比,IC113脚(PG信号输出端)输出低电位,PG向主机输出零电平的电源自检信号,主机停止工作处于待机状态。受控启动后IC2的③脚电位上升,IC1的⑨脚控制电平也逐渐上升,一旦IC1的⑨脚电位大于11脚的固定分压比,经正反馈的迟滞比较器,13脚输出的PG信号在开关电源输出电压稳定后再延迟几百毫秒由零电平起跳到+5V,主机检测到PG电源完好的信号后启动系统,在主机运行过程中若遇市电停电或用户执行关机操作时,ATX开关电源+5V输出电压必然下跌,这种幅值变小的反馈信号被送到IC2的①脚(电压取样比较器同相输入端),使IC2的③脚电位下降,经R48使IC1的⑨脚电位迅速下降,当⑨脚电位小于11脚的固定分压电平时,IC113脚将立即从+5V下跳到零电平,关机时PG输出信号比ATX开关电源+5V输出电压提前几百毫秒消失,通知主机触发系统在电源断电前自动关闭,防止突然掉电时硬盘的磁头来不及归位而划伤硬盘。


5、主电源电路及多路直流稳压输出电路


如图8所示,微机受控启动后,PS信号由主板启动控制电路的电子开关接地,允许IC2的⑧、11脚输出脉宽调制信号,去控制与推动三极管Q3Q4c极相连接的T2推动变压器次级绕组产生的激励振荡脉冲。T2的初级绕组由它激振荡产生的感应电动势作用于T1主电源开关变压器的初级绕组,从T1次级①②绕组产生的感应电动势经D20D28整流、L2(功率因素校正变压器,也称低电压扼流线圈。以它为主来构成功率因素校正电路,简称PFC电路,起自动调节负载功率大小的作用。当负载要求功率很大时,则PFC电路就经过L2来校正功率大小,为负载输送较大的功率;当负载处于节能状态时,要求的功率很小,PFC电路通过L2校正后为负载送出较小的功率,从而达到节能的作用。)第④绕组以及C23滤波后输出—12V电压;从T1次级③④⑤绕组产生的感应电动势经D24D27整流、L2第①绕组及C24滤波后输出—5V电压;从T1次级③④⑤绕组产生的感应电动势经D21L2第②③绕组以及C25C26C27滤波后输出+5V电压;从T1次级③⑤绕组产生的感应电动势经L6L7D23L1以及C28滤波后输出+3.3V电压;从T1次级⑥⑦绕组产生的感应电动势经D22L2第⑤绕组以及C29滤波后输出+12V电压。其中,每两个绕组之间的R5Ω/1/2W)、C(103)组成尖峰消除网络,以降低绕组之间的反峰电压,保证电路能够持续稳定地工作。


6、自动稳压稳流控制电路


1+3.3V自动稳压电路


IC5(精密稳压电路TL431)、Q2R25R26R27R28R18R19R20D30D31D23(场效应管)、R08C28C34等组成+3.3V自动稳压电路。如图9所示。


当输出电压(+3.3V)升高时,由R25R26R27取得升高的采样电压送到IC5G端,使UG电位上升,UK电位下降,从而使Q2导通,升高的+3.3V电压通过Q2ec极,R18D30D31送至D23S极和G极,使D23提前导通,控制D23D极输出电压下降,经L1使输出电压稳定在标准值(+3.3V)左右,反之,稳压控制过程相反。


2+5V+12V自动稳压电路


IC2的①、②脚电压取样比较器正、负输入端,取样电阻R15R16R33R35R68R69R47R32构成+5V+12V自动稳压电路。如图10所示。


当输出电压升高时(+5V+12V),由R33R35R69并联后的总电阻取得采样电压,送到IC2的①脚和②脚,与IC2内部的基准电压相比较,输出误差电压与IC2内部锯齿波产生电路的振荡脉冲在PWM(比较器)中进行比较放大,使⑧、11脚输出脉冲宽度降低,输出电压回落至标准值的范围内。


反之稳压控制过程相反,从而使开关电源输出电压保持稳定。


3+3.3V+5V+12V自动稳压电路


IC4(精密稳压电路TL431)、IC3Q1R01R02R03R04R05R005D7C09C41等组成+3.3V+5V+12V自动稳压电路。如图11所示。


当输出电压升高时,T3次级绕组产生的感应电动势经D50C04整流滤波后一路经R01限流送至IC3的①脚,另一路经R02R03获得增大的取样电压送至IC4G端,使UG电位上升,UK电位下降,从而使IC4内发光二极管流过的电流增加,使光敏三极管导通,从而使Q1导通,同时经负反馈支路R005C41使开关三极管Q03e极电位上升,使得Q03b极分流增加,导致Q03的脉冲宽度变窄,导通时间缩短,最终使输出电压下降,稳定在规定范围之内。


反之,当输出电压下降时,则稳压控制过程相反。


4)自动稳流电路


IC21516脚电流取样比较器正、负输入端,取样电阻R51R56R57构成负载自动稳流电路。如图12所示。 负端输入端15脚接稳压+5V,正端输入端16脚, 该脚外接的R51R56R57与地之间形成回路,当负载电流偏高时,T2次级绕组产生的感应电动势经R10D14C36整流滤波,再经R54R55降压后获得增大的取样电压,同时与R51R56R57支路取得增大的采样电流一起送到IC215脚和16脚,与IC2内部基准电流相比较,输出误差电流,与IC2内部锯齿波产生电路产生的振荡脉冲在PWM(比较器)中进行比较放大,使⑧、11脚输出脉冲宽度降低,输出电流回落至标准值的范围之内。


三、检修的基本方法与技巧


计算机ATX开关电源与日常生活中彩电的开关电源显著的区别是:前者取消了传统的市电按键开关,采用新型的触点开关,并且依靠+5VSBPS控制信号的组合来实现电源的自动开启和自动关闭。主机在通电的瞬间,主机电源会向主板发送一个Power Good(简称PG)信号,如果主机电源的输入电压在额定范围之内,输出电压也达到最低检测电平(+5V输出为4.75V以上),并且让时间延迟约100ms500ms后(目的是让电源电压变得更加稳定),PG电路就会发出“电源正常”的信号,接着CPU会产生一个复位信号,执行BIOS中的自检,主机才能正常启动。+5VSB是供主机系统在ATX待机状态时的电源,以及开启和关闭自动管理模块及其远程唤醒通讯联络相关电路的工作电源,在待机及受控启动状态下,其输出电压均为5V高电平,使用紫色线由ATX插头⑨脚引出。如图13所示。PS为主机开启或关闭电源以及网络计算机远程唤醒电源的控制信号,不同型号的ATX开关电源,待机时的电压值各不相同,常见的待机电压值为3V3.6V4.6V。当按下主机面板的POWER电源开关或实现网络唤醒远程开机时,受控启动后PS由主板的电子开关接地,使用绿色线从ATX插头14脚输入。PG是供主板检测电源好坏的输出信号,使用灰色线由ATX插头⑧脚引出,待机状态为低电平(0V),受控启动电压输出稳定的高电平(+5V)。


脱机带电检测ATX电源 ,首先测量在待机状态下的PSPG信号,前者为高电平,后者为低电平,插头9脚除输出+5VSB外,不输出其它任何电压。其次是将ATX开关电源进行人工唤醒,方法是:用一根导线把ATX插头14脚(绿色线)PS信号与任一地端(黑色线3713151617)中的任一脚短接,这一步是检测的关键(否则,通电时开关电源风扇将不旋转,整个电路无任何反应,导致无法检修或无法判断其故障部位和质量好坏)。将ATX电源由待机状态唤醒为启动受控状态,此时PS信号变为低电平,PG+5VSB信号变为高电平,这时可观察到开关电源风扇旋转。为了验证电源的带负载能力,通电前可在电源的+12V输出插头处再接一个开关电源风扇或CPU电源风扇,也可在+5V与地之间并联一个4Ω/10W左右的大功率电阻做假负载。然后通电测量各路输出电压值是否正常,如果正常且稳定,则可放心接上主机内各部件进行使用;如发现不正常,则必须重新认真检查电路,此时绝对不允许与主机内各部件连接,以免通电造成严重的经济损失。


四、故障检修实例


实例1 一台LWT2005型开关电源供应器,开机出现“三无(主机电源指示灯不亮,开关电源风扇不转,显示器点不亮)”。


故障分析与维修:先采用替换法(用一个好的ATX开关电源替换原主机箱内的ATX电源)确认LWT2005型开关电源已坏。然后拆开故障电源外壳,直观检查发现机板上辅助电源电路部分的R001R003R05呈开路性损坏,Q1C1815)、开关管Q03BUT11A)呈短路性损坏,如图14所示。且R003烧焦、Q1ce极炸断,保险管FUSE5A/250V)发黑熔断。经更换上述损坏元器件后,采用二中的检修方法和技巧:用一根导线将ATX插头14脚与15脚(两脚相邻,便于连接)连接,并在+12V端接一个电源风扇。检查无误后通电,发现两个电源风扇(开关电源自带一个+12V散热风扇)转速过快,且发出很强的呜音,迅速测得+12V上升为+14V,且辅助电源电路部分发出一股逐渐加强的焦味,立即关电。分析认为,输出电压升高,一般是稳压电路有问题。细查为IC4IC3构成的稳压电路部分的IC3(光电耦合器Q817)不良。由于IC3不良,当输出电压升高时,IC3内部的光敏三极管不能及时导通,从而就没有反馈电流进入开关管Q03e极,不能及时缩短Q03的导通时间,导致Q03导通时间过长,输出电压升高。如不及时关电,(从发出的焦味来看,Q03很可能因导通时间过长,功耗过重而损坏)又将大面积地烧坏元器件。


IC3更换后,重新检查、测量刚才更换过的元器件,确认完好后通电。测各路输出电压一切正常,风扇转速正常(几乎听不到转动声)。通电观察半小时无异常现象。再接入主机内的主板上,通电试机2小时一直正常。至此,检修过程结束。后又维修大量同型号或不同型号(其电路大多数相同或类似)的开关电源,其损坏的电路及元器件大多雷同。


实例2 一台银河YH004A型开关电源供应器,开机出现“三无”。


故障分析与维修:先采用替换法确认该开关电源已坏。然后拆开故障电源外壳,直观检查机板上辅助电源电路部分,发现D30ZD3R78Q15(开关管)烧坏。根据实物绘制关键电路如图15所示,经更换上述元器件后并按实例1方法进行通电试机,发现两个电源风扇时转时不转。怀疑电路中有虚焊,将整个电路重新加焊一遍后,通电故障如初。维修一时陷入困境。后经仔细分析电路图,在电源风扇时转时不转的瞬间,测得开关电源输出电压波动很大,莫非稳压电路出了故障?


经与实例1中相关电路相比较,两种开关电源电路有较大差别,但所用的脉宽调制集成电路都是双排8脚,前例采用的是IC2KA7500B),本例是IC1TL494)(有些也采用BDL494),分析、比较两种不同标号的集成电路,得出两者的引脚、功能完全相同,可以直接互换。以此推测出IC1TL494)的稳压原理如下:IC1TL494)的①、②脚电压取样比较器正、负输入端,取样电阻R31R32R33R37R38构成+5V+12V自动稳压电路。如图16所示。


当输出电压升高时(+5V+12V),由R31取得采样电压送到IC1①脚和②脚,并与IC1内部基准电压相比较,输出误差电压与IC1内部锯齿波产生电路的振荡脉冲在PWM(比较器)中进行比较放大,使⑧、11脚输出脉冲宽度降低,输出电压回落至标准值的范围内。当输出电压降低时,稳压控制过程相反,从而使开关电源输出电压保持稳定。


开路测量R31R32R33R37R38阻值正常,在路检测IC1TL494)的①、②脚电阻值与IC2KA7500B)①、②脚电阻值相比较,差别很大。试用一只KA7500B集成电路代换TL494后,经查无误后通电试机,测得各路输出电压值正常,风扇转速正常。接入主机内,通电试机一切正常。检修过程结束。


实例3 一台ATX300L型开关电源供应器(简称007电源),开机出现“三无”。


故障分析与维修:如图17所示。先用代换法确认该电源已烧坏;然后拆开外壳,直观检查保险丝烧黑,用表测量主电源开关三极管Q01Q02(两者型号均为C4106)击穿短路,整流电路部分印制线路板烧黑。将Q1Q2用同型号换新(注:两者必须同型号,否则将导致带载能力下降,输出电压不稳定,从而引起主电源开关管再次击穿。如推动三极管Q3Q4损坏,其更换方法类似),并将印制线路板烧黑部分用小刀剥开划断,再用导线按原线路接好(必须做好这一步,因路板烧黑被炭化后易导电)。由于保险管焊在路板上(维修多台开关电源都是如此,其作用是保证接触良好),焊下坏管,用一新的4A/250V保险管焊上。


经检查无误后通电开机,电源风扇旋转,各路输出电压正常。接入主机板开机时,CPU风扇旋转,但显示器黑屏,测+5V+12V电压在规定电压值内波动,不稳定。仔细观察,发现电源风扇转速过快,测IC2KA7500B)的12脚(VCC电源端)电压高达23V(正常时一般为19V)且抖动,测131415脚有正常的+5V电压输出。怀疑IC2内部不良,果断更换IC2,再开机,显示器点亮,各路输出电压正常,故障排除。


附: ATX开关电源电压比较器LM339N和脉宽调制集成电路KA7500B各引脚功能及实测数据,表中电压数据以伏特(V)为单位,用南京产MF47型万用表10V50V250V直流电压挡,在ATX电源脱机检修好后,连接主机内各部件正常工作状态下测得;在路电阻数据以千欧(KΩ)为单位,用R×1K挡测得,正向电阻用红表笔测量,反向电阻用黑表笔测量,另一表笔接地。


1:电压比较器LM339N引脚功能及实测数据


引脚号


引脚功能


工作电压(V


在路电阻值(KΩ)


  


1


电压取样输出端


4


8.5


1



2


电压取样输出端


0


8.5


2



3


电源输入端


5


4


3



4


电压取样反相输入端


1.2


11


4



5


电压取样同相输入端


0.8


10.5


5



6


电子开关启动端


1


10.5


6



7


电压取样同相输入端


1.2


11


7



8


电压取样反相输入端


1.2


9.5


8



9


PG信号同相控制端


1.2


11


9



10


电压取样反相输入端


1.4


10


10



11


电压取样同相输入端


1.6


11.5


11



12



0


0


12



13


PG信号输出端


4


3.6


13



14


电压取样输出端


1.8


9.5


14

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文章评论 1条评论)

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自由使者 2020-1-22 23:09

这篇文章里面的描述的比较详细。
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zd.cai_402214705 2012-11-05 19:29
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近年来,因为竞争激烈,所以,职场人变的心态不稳、心情浮躁,职业盲目、徘徊成了普遍现象。其实要想在职业发展上有所成功,等待升职加薪的机会,耐心是个很重要的问题,也就是在职场上拼搏需要有很强的忍耐力,...
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