微机ATX电源电路工作原理课程设计报告.doc

微机ATX电源电路工作原理课程设计报告

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2020年4月19日
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课程设计报告

( ~ 第二学期)

课程名称:电子设备维修技术 课程代码:
系 别: 电子工程系 专 业:电子信息工程技术
班 级: 20731 学 号: 070106
学生姓名: 蒋明超 指导教师: 陈孝波(老师)
完成时间: 年 5 月 20 日

目录
微机(LWT 型)ATX 电源电路工作原理
一、概述—————————————-------------3
二、工作原理————————————-----------4
1、输入整流滤波电路-——————————--------4
2、高压尖峰吸收电路———————————-------4
3、辅助电源电路6、自动稳压稳流控制电路———-------4
4、PS信号和PG信号产生电路以及脉宽调制控制电路————6
5、主电源电路及多路直流稳压输出电路 ——————----7
6、自动稳压稳流控制电路——————-------—------7
三、故障维修 ———————————————————-—8
四、参考资料————————————————————---10
五、电路图—————————————————————-—10

一、 概述
随着电子技术的发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,对电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源,是连续控制的线性稳压电源,这种传统稳压电源技术比较成熟。
而且已有大量集成化的线性稳压电源模块,具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。但其一般都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用,滤波器的体积和重量也很大。而调整管工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差,导致调整管功耗较大,电源效率很低,一般只有45%左右,
另外,由于调整管上消耗较大的功率,因此需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器,于是它很难满足电子设备发展的要求。从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。 开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关,经过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管(GTR)为例,当开关管饱和导通时,集电极和发射极两端的压降接近零,在开关管截止时,其集电极电流为零,因此其功耗小,效率可高达70%~95%。而功耗小,散热器也随之减小,同时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整,然后由开关调整管进行稳压,不需要电源变压器;
另外,开关工作频率在几十千赫,滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻,体积小等特点。另外,由于功耗小,机内温升低,从而提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高,一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V+10%,而开关型稳压电源在电网电压从110V~260V范围内变化时,都可获得稳定的输出电压。

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,经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。
ATX 开关电源的功率一般为250W～300W,经过高频滤波电路共输出六组直流电压:+5V(25A)、—5V(0.5A)、+12V(10A)、—12V(1A)、+3.3V(14A)、+5VSB(0.8A)。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、微机(LWT 型)ATX 电源电路的工作原理
　　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。
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。
　　交流电 AC220V 经过保险管FUSE、电源互感滤波器L0,经BD1—BD4 整流、C5 和C6 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。L0、R1 和C2组成Π 型滤波器,滤除市电电网中的高频干扰。C3 和C4 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。R2 和R3 为隔离平衡电阻,在电路中对C5 和C6起平均分配电压作用,且在关机后,与地形成回路,快速泄放C5、C6 上储存的电荷,从而避免电击。
2、高压尖峰吸收电路
　　由 D18、R004 和C01 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Q03 的C 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Q03 的C 极尖峰电压,使Q03 免遭损坏。
3、辅助电源电路
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Q03 的c 极,另一路经启动电阻R002 给Q03 的b 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T3③~④反馈绕组产生感应电动势(上正下负),经过正反馈支路C02、D8、R06 送往Q03 的b 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,经过电阻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D50、C04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IC4 的K 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。反馈电流经过R06、R003、Q03 的b、e 极等效电阻对电容C02 充电,随着C02 充电电压增加,流经Q03 的b 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T3③~④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Q03 的b 极,使b 极电位变负,此时开关管Q03 因b 极无启动电流而迅速截止。开关管Q03 截止时,T3③~④反馈绕组、D7、R01、R02、R03、R04、R05、C09、IC3、IC4 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D50、C04 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Q03 的b 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、R003、Q03 的be 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Q03 的Ub 电位上升,当Ub 电位增加到Q03 的be 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D9 和D50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D9、D50 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T3③~④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D5、D6、C8、R5 给Q02 的b 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),D3、D4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,D1、D2 为续流二极管,在开关管Q01 和Q02 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Q3、Q4 的c 极,保证整个激励电路能持续稳定地工作,同时,又经过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。
4、PS信号和PG信号产生电路以及脉宽调制控制电路
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(电压比较放大器LM339N)的⑥脚(启动端),由内部经IC1的③脚,对C35进行充电,同时IC1的②脚经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,封锁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。IC2的○13脚(输出方式控制端)接稳压+5V (由IC2内部稳压输出+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R30、C30的振荡频率的一半,控制推动三极管Q3、Q4的c极连接的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。
D12、D13以及C40用于抬高推动管Q3、Q4的e极电平,使Q3、Q4的b极有低电平脉冲时能可靠截止。C35用于通电瞬间封锁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(电压比较放大器LM339N)、R48、C38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,○13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放大器,○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(电压取样放大器同相输入端),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,IC1的○13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
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Q3、Q4的c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D20、D28整流、L2(功率因素校正变压器,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电路经过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D24、D27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D21(场效应管)、L2第②③绕组以及C25、C26、C27滤波后输出+5V电压;从T1次级③⑤绕组产生的感应电动势经L6、L7、D23(场效应管)、L1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D22(场效应管)、L2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R(5Ω/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)、Q2、R25、R26、R27、R28、R18、R19、R20、D30、D31、D23(场效应管)、R08、C28、C34等组成+3.3V自动稳压电路。
　　当输出电压(+3.3V)升高时,由R25、R26、R27取得升高的采样电压送到IC5的G端,使UG电位上升,UK电位下降,从而使Q2导通,升高的+3.3V电压经过Q2的ec极,R18、D30、D31送至D23的S极和G极,使D23提前导通,控制D23的D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脚电压取样放大器正、负输入端,取样电阻R15、R16、R33、R35、R69、R47、R32构成+5V、+12V自动稳压电路。
　　当输出电压升高时(+5V或+12V),由R33、R35、R69并联后的总电阻取得采样电压送到IC2的①脚和②脚基准电压相比较,输出误差电压与芯片内锯齿波产生电路的振荡脉冲在PWM比较放大器中进行比较放大,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)、Q1、R01、R02、R03、R04、R05、R005、D7、C09、C41等组成+3.3V、+5V、+12V自动稳压电路。
　　当输出电压升高时,T3次级绕组产生的感应电动势经D50、C04整流滤波后一路经R01限流送至IC3的①脚,另一路经R02、R03获得增大的取样电压送至IC4的G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R005、C41使开关三极管Q03的e极电位上升,使得Q03的b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。
　　1VIC2的○15、○16脚电流取样放大器正、负输入端,取样电阻R51、R56、R57构成负载自动稳流电路。负端输入○15脚接稳压+5V,正端输入○16脚, 该脚外接的R51、R56、R57与地之间形成回路,当负载电流偏高时,由R51、R56、R57支路取得采样电流送到IC2的○15脚和○16脚基准电流相比较,输出误差电流与芯片内锯齿波产生电路的振荡脉冲在PWM比较放大器中进行比较放大,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,反之稳流控制过程相反,从而使开关电源输出电流保持稳定。
三、故障维修　
1.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,而且依靠+5VSB、PS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),而且让时间延迟约100ms～500ms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(图2)⑨脚引出。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3V、3.6V、4.6V。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PS和PG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3、7、13、15、16、17)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。
上述操作亦可作为单独选购ATX开关电源脱机通电验证质量好坏的方法。
2.一台LWT 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LWT 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R001、R003、R05呈开路性损坏,Q1(C1815)、开关管Q03(BUT11A)呈短路性损坏。且R003烧焦、Q1的c、e极炸断,保险管FUSE(5A/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IC4、IC3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Q03的e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。
将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。
四、参考资料
1、互联网知识
2、课本知识
五、电路图