微机200W稳压电源电路原理与维修方法 何宗琦 1996-06-28 在386、486兼容机中普遍采用了二片IC的200W脉宽调制型开关稳压电源，此类电源的电路程式和采用的元件虽不完全相同，但是电路原理和维修方法基本一致。本文在对典型电路实际测绘的基础上，分析了其工作原理，并介绍了故障检修的方法，供同行参考。(电路原理图见270) 一、脉宽调制开关稳压直流电源框图及工作原理 从图1原理框图可看出：220/110伏市电经滤波器、桥式整流和电容滤波后得到幅值为300伏的直流高压，该直流高压被馈送到脉宽调制功率转换线路(变换器)。当微机直流电源处于无故障状态下运行时，通过改变脉冲方波的占空比(即该输出电压的平均值)来获得稳定的输出电压。当输出直流电压下降或上升时，由取样电路将取样信号送入控制电路，经其内部控制，送出频率固定但脉冲宽度可调的调制脉冲。在调制脉冲作用下，功率转换电路将300伏直流高压变成幅值为300伏左右，而脉冲宽度可调的高压脉冲(目前常用微机电源调制频率在20KHZ__200KHZ之间)。从功率转换电路输出的高压脉冲需再经位于高频降压输出变压器的副边绕组中的整流滤波线路进行降压整流滤波后，产生微机电源所需的+5V、-5V和+12V、-12V稳压直流电源。 二、脉宽调制开关稳压直流电源电路原理 (一)输入整流电路 输入整流电路分低通滤波器和整流滤波器两部分。 1.低通滤波器图 低通滤波器作用是抑制外界的高频干扰，消除滤波开关电源本身产生的对外高频干扰，避免电网干扰污染。 电路中，R1、C2组成抗差模干扰回路；T1、C2、C3组成抗共模干扰回路，这样组合对各种射频干扰的抑制有较好效果。保险管作用是防止短路电流过大而切断电源。THR1是温度敏感元件，它的冷电阻大，热电阻小，当电路刚接通时，限制了电路启动电流，以避免开机时干扰；几秒钟后，THR1温度上升，电阻趋于零，所以平时耗电少。 2.整流滤波电路 整流桥和滤波电容C5、C6组成桥式或倍压式整流滤波电路。当开关S1断开时，构成一个典型桥式整流滤波电路，适用于220伏市电；当S1闭合时，整流桥中二支二极管与C5、C6构成倍压整流电路，适用于110伏市电。这两种方式中，整流输出电压均为300伏。滤波电容C5、C6分别并联着R2、R3，它们对直流300伏进行分压，同时电容C5、C6也承受150伏左右电压。 (二)主变换电路 1.主变换电路，包括以下三部分：脉宽调制驱动放大电路、高频降压输出变压器和低压整流滤波+5V、-5V、+12V、-12V电压输出。 (1)脉宽调制驱动放大电路： 图中Q1、Q2为功率开关三极管，其型号为C4055，为避免Q1、Q2有共同的导通时间而导致电源短路，损坏Q1、Q2，必须保证Q1、Q2基极死区脉冲有一共同截止时间，即控制脉冲死区。要求“死区”时间大于Q1、Q2的最长导通饱和延迟时间ts。D5、D6为钳位和阻尼二极管，对限制集电极电压尖峰和防止高频振荡有利，保护Q1、Q2的C-E极间免遭反向电压击穿；R5、R6和R7、R9分别为Q1、Q2的偏置电阻，决定静态基极电流IBQ1、IBQ2的大小；C7、R5和C8、R9分别组成脉冲信号耦合电路，使脉冲信号能耦合到Q1、Q2的基极；R10、D7和R11、D8分别组成低阻抗回路，保护Q1、Q2的B-E极免遭反向电压击穿，其中R10、R11为限流电阻，D7、D8为有较快开关速度的二极管。 (2)高频输出降压变压器和低压整流滤波电路 图中T4为高频输出降压变压器，R51、C27组成原边高频滤波阻容网络；D24、D25为双二极管，它们与D21、D22组成低压整流电路；C19、R45和C13、R46这些并列在变压器副边的阻容网络用来缩短双二极管D24、D25的恢复时间；R50的C20组成变压器低压侧阻容滤波回路；L1为轭流线圈，主要起通低频阻高频的滤波作用；LM7905为集成稳压电路，输入端接稳压电源-12伏。C21、L2和C22一起组成+5伏电源LC滤波；C26、R47组成-5伏电源RC滤波回路；D23起单向导通作用，C14、L4、C25和R44组成-12伏电源滤波回路；L3、R48和C23组成+12伏电源滤波回路；电风扇FAN用于散热，R49用于限流。 2.主变换电路的工作原理 当控制变压器次级1-2得到正向驱动脉冲时，功率开关三极管Q1导通，C5经Q1的C-E、T2次级绕组1-5、T4和T3原边线圈、C9(通交流隔直流作用)放电，使T4次级获得正向脉冲输出电压；当控制变压器次级绕组3-4得到正向驱动脉冲时，功率开关管Q2导通，C6经历C9，T3和T4次级获得负向脉冲电压输出。随着Q1和Q2开关状态的连续切换，直流电压就转换成一定频率的脉冲电压了。该脉冲电压经整流滤波后得到+5V、-5V和+12V、-12V的输出直流电压。 (三)控制电路 控制及保护电路的核心是两片IC芯片TL494和LM339。TL494控制芯片的脉冲输出经推挽放大后送到T2的原边作为Q1和Q2的开关控制信号。LM339是一个四电压比较器，它通过比较采样信号电压和基准电压，把控制信号送给TL494实现控制和保护。下面介绍IC芯片和电路工作原理。 1.TL494控制芯片 TL494是实现控制，输出宽度可调的信号脉冲的IC芯片，其原理图如图1所示。 TL494的工作原理如下： TL494内部振荡器工作范围为1KH-300KH，在它的5、6脚分别接有定时元件R17和C10，从5脚可观察到锯齿波。14脚输出+5伏的基准电压，由R20和R21分压获得2.5伏加到采样放大器输入脚2上，采样放大器输入脚1通过R22，R23分压，从+5伏输出电压中取得采样电压。由于13、14脚相连，TL494工作推挽输出状态。它的8、11脚分别控制Q4、Q3并经控制变压器T2产生正负驱动脉冲，使主变换电路工作于半桥形式。 控制电路的脉宽调制是由控制电路的反馈调节实现的。当负载变重或电网电压降低等原因使输出电压有所下降时，进入TL494的采样电压按比例下降，这时TL494内部U0输出降低，通过和锯齿波比较，导致比较器2输出脉冲变宽，使8、11脚输出的驱动脉冲也变宽，从而达到脉宽调制使输出电压稳定的目的；反之，当输出电压升高，使U0电平升高，经比较器2输出脉冲变窄，从而使8、11脚脉冲变窄，降低电压，亦能实现脉宽调制稳定输出电压。正常情况下的脉宽调制可以通过调节可变电阻R23来实现。TL494的4脚为死区控制。所谓死区，就是两个三极管轮流导通的间隔，用来防止Q1和Q2退饱和和延尺造成的同时导通现象。外加死区电平UH上升，比较器1输出脉冲宽度减小，也就是死区加大。比较器1的输出通过与门对比较器2的输出脉冲进行死区控制。 从TL494原理框图看出，TL494的5、6脚振荡器起振，在5脚接的定时电容上产生锯齿波送到比较器1、2正向输入端，1、2脚为采样放大器的输入端，15、16为误差放大器的输入端，由误差放大器和采样放大器的输出电平去与锯齿波在比较器进行比较，其输出一个一定宽度脉冲，它与控制“死区”时间的比较器1送出的最宽脉冲同时送入“与”门输入端，“与”门输出脉冲经触发器分频后分别到两个“或非门“去控制功放三极管，得到相位相差180度的驱动脉冲，经8、11脚输出。TL494的14脚输出+5伏的基准电压VREF。TL494的3脚接的C11、R19是消振校正电路。控制输出的13脚接高电平时，输出相位相差180度的驱动脉冲，可以使电路工作在推挽或桥式状态，当接低电平时，D触发器的Q1和Q端被强制同时输出高电平。TL494内部A1和A2的输出信号通过D1和D2实现类似逻辑“或”的功能，以保证采样放大和控制放大两路信号各自独立完成控制作用。TL494的4脚为死区控制，电平升高，死区越长；电平降低，死区越短。 2.LM339四电压比较器 LM339由四个独立的电压比较器组成。 3.推挽放大电路 由于TL494的输出电压较低，因此必须加一级电压放大后再送至T2变压器的初级。 图中D20、C24、R43组成半波整流滤波电路，得到直流电源R43为TL494提供工作电源，同时提供Q3、Q4直流电源，R14通过为集电极电阻，D8单向导通。D9、D10为钳位和阻尼二极管，防止Q3、Q4的C-E极承受反向电压击穿。D11和D12串联起钳位作用，使D11阳极电压为1.0伏左右。C15提供交流通路，R13、R12分别为Q3、Q4的基极偏值电阻。推挽放大器的输入电压是TL494的8、11脚输出的相位相差180度的脉冲信号。R15和R16为信号耦合电阻。Q3、Q4为放大三极管，型号为LM9014。 TL494和LM339组成的控制电路，保护电路和主机启动信号电路。从图中可以看出由D20、R43提供的直流电源电压加到TL494的12脚，作为它的工作电源。14脚输出的基准电压经R20和R21分压后加到2脚，+5V输出电压采档信号经R22和R23分压后加到1脚，当+5V输出值稳定在+5V时，1脚和2脚的输入电压相等，TL494内部U0继持在一确定值。而当+5V输出电压变化时，U0值也随之改变，而使8脚和11脚输出的脉冲宽度发生改变，最终实现了输出电压值的调节控制，使之稳定在额定值。 四、保护电路 保护电路具有三种保护：过流保护、+5伏过压保护和欠压保护。图中Q5为三极管倒置使用，其型号为A1048。正常情况下，LM339的1、14脚输出高电平，Q5处于截止状态；当LM339的1、14脚变为低电平后，Q5饱和导通，由于倒置时饱和压降小，所以D16承受+5伏左右电压导通，使TL494的4脚电平升高至+4伏左右，从而使输出脉冲变得很窄，输出电压几乎为零。R28和R32为Q5基极偏置电阻；C12并联在B-C极，作用是保证LM339的1、14脚电平变低，仍保持集电极电压稳定在+5伏左右，不致于降得很低。 下面介绍具体保护电路。 1.过流保护 过流保护信号由串接在主变压器T4初级的T3产生。T3初级仅1圈，它产生的电流信号经次级的D14、D15整流输出一个正电压V+，并经R26和R31分压后加在LM339比较器8脚。正常情况下，这个正电压很小；另一路由+5伏采样D18单向导通，R35和R31分压后也加在LM339的8脚，二者叠加后电压为0.9伏左右。当T4绕组中因某种原因致使电流过大时，通过T3耦合后将使V+增加，LM339 8脚电平增高到某一电平值将使比较器LM339 14脚输出低电平，使倒置使用的Q5饱和导通，于是TL494的4脚电平升高，使TL494输出死区变长。从而减少了功率三极管Q1和Q2的导通时间，减小了电流，使Q1和Q2得到了保护。 2.过压保护 由于+5伏输出电压升高，通过R36、R37、D17和R39的共同作用，使得LM339的6脚电平升高，LM339的1、14脚输出电平为低电平，所以Q5饱和导通，TL494的4脚电平升高，输出电压降至最低，同时单向导通二极管D19起反馈作用，使LM339的6脚电平更高，保证LM339的1、14脚一直输出低电平。 3.欠压保护 当-5伏电压绝对值降低时，R36上压降减小，所以同样导致LM339的6脚电平升高。保护过程同于过压保护。为更清楚的说明过压、欠压保护，下面计算LM339的6脚电平值。电路如图2所示。 从图可以看出LM339的6脚电压值为： U6=+5V-{+5V-(-5.7V)}×820/(820+1500) =+5V-3.4V =1.6V 同埋可计算出LM339的7脚电压值为1.7V，正常时U6 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ ┃ ┠─────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┨ ┃黑表笔接地│2.5 │2.9 │6.5 │ 7 │6.4 │6.4 │ 0 │0.9 │ 0 │ 0 │0.9 │2.3 │2.5 │2.5 │2.5 │ 0 ┃ ┃ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ ┃ ┠─────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┨ ┃电压值(V) │ 0 │2.6 │ 0 │ 0 │1.6 │3.8 │ 0 │1.5 │ 0 │ 0 │1.5 │ 12 │5.1 │5.1 │5.1 │ 0┃ ┗━━━━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┛ 2.LM339四电压比较器在线电阻值测试结果如表2。 表2 LM339四电压比较器在线电阻值测试结果 ┏━━━━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┓ ┃ │1 │ 2 │ 3 │ 4 │ 5 │ 6 │ 7 │ 8 │ 9 │ 10 │ 11 │ 12 │ 13 │ 14 ┃ ┠─────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┨ ┃红表笔接地│6.5 │ ∞│2.5 │ 0 │ 0 │0.9 │1.6 │0.5 │1.5 │1.5 │ 38 │6.5 │ 0 │4.6 ┃ ┃ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ ┃ ┠─────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┨ ┃黑表笔接地│5.5 │6.7 │2.5 │ 0 │ 0 │0.9 │1.6 │0.5 │1.6 │1.6 │ 8 │ 0 │4.6 │5.5 ┃ ┗━━━━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┛ (三)动态测试 1.TL494和LM339各管脚电压值测试结果如表3。 表3 TL494和LM339各管脚电压值测试结果 ┏━━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┯━━┓ ┃ │ 1 │ 2 │ 3 │ 4 │ 5 │ 6 │ 7 │ 8 │ 9 │ 10 │ 11 │ 12 │ 13 │14 │16 ┃ ┠───┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┨ ┃TV94 │2.5 │2.5 │2.6 │ 0 │1.6 │3.6 │ 0 │1.95│ 0 │ 0 │1.95│22.5│ 4.9│4.9 │4.9 ┃ ┠───┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┨ ┃LM339 │ 5 │ 0 │ 5 │ 0 │ 0 │1.1 │1.65│0.9 │1.65│1.65│ 3.3│ 0 │ 4.8│ 5│ ┃ ┗━━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┷━━┛ 2.三极管Q5和Q6的B、E和C极电压值测试结果如表4。 表4 Q5和Q6的B、E和C极电压值测试结果 ┏━━━━━┯━━┯━━━┯━━┓ ┃ │B极 │ E极 │C极 ┃ ┠─────┼──┼───┼──┨ ┃Q5(A1048) │5V │-0.2V │5V ┃ ┠─────┼──┼───┼──┨ ┃Q6(A1048) │1.6V│ 2.3V │0V┃ ┗━━━━━┷━━┷━━━┷━━┛ (四)维修实例 实例一： 打开微机稳压电源电路进行检查，没有发现明显的烧焦痕迹和异样现象。作静态测试时，给控制板TL494的12脚加+5伏的直流电源，发现电路板冒烟，并伴有焦味产生，迅速断开直流电源，用手接触发现TL494发热烫手，二极管D11和D12周围电路板有烧焦痕迹。根据电路原理分析，怀疑是控制板TL494的11脚电压不为+2伏，导致Q3和Q4的B-E极击穿。断开电阻R13和R15后给控制板TL494的12脚加上+5伏左右的电压，测试TL494的11脚电压也为+5伏，判断故障为TL494内部短路。取下Q3进行测试，验证Q3的B-E极击穿。故障解决方法：更换控制板TL494和三极管Q3(型号为LM9014)即可。 实例二： 打开微机稳压电源电路进行检查，未观察到虚焊点和明显的元件损坏。给控制板TL494加上+15伏直流电源，测试控制板，推挽放大电路各点波形正常，初步判断故障在主变换电路中。上电后无异样，测试D20端，均无电压；再测试整流桥输出的直流高压，同样也没有直流高压存在；接着测试低通滤波器有交流输出而整流桥无交流输入，肯定是热敏电阻THR1有故障，经检查，原来是一脚未焊牢，形成虚焊，重新焊好后试机，直流电源输出正常。 实例三： 打开微机稳压电源电路进行检查，没有发现明显的烧焦痕迹和异样现象。作静态测试时，给控制板TL494的12脚加上+15伏的直流电源，测试控制板、推挽放大电路各点波形正常。上电后，无直流电压输出，几秒钟后，保险管烧断，并且功率开关管Q1和Q2发热烫手，初步断定故障在输入电路中。 对电路板输入电路仔细检查，发现THR1热敏电阻为一普通电阻，标称值为1.5欧，实测值也为1.5欧。据热敏电阻的作用可知：其冷态电阻应为4欧，现换上的电阻阻值仅为1.5欧，所以开机时启动电流过大，造成开关管Q1和Q2的C-E极被击空穿。 以前的维修人员因粗心大意，用普通小电阻代换热敏电阻，这显然是导致故障的最终原因。 通过这一故障的维修，告诫我们在代换元件时，一定要慎重，不然的话会进一步扩大故障。