电脑ATX电源控制电路的工作原理(带图)-本人注:改装PC电源的知识准备

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电脑ATX电源控制电路的工作原理

来源：《电子报》     作者： 张扬

ＡＴＸ电源的控制电路见图１。控制电路采用ＴＬ４９４（有的电源采用ＫＡ７５００Ｂ，其管脚功能与ＴＬ４９４相同，可互换）及ＬＭ３３９集成电路（以下简称４９４和３３９）。４９４是双排１６脚集成电路，工作电压７～４０Ｖ。它含有由{14}脚输出的＋５Ｖ基准电源，输出电压为＋５Ｖ（±０．０５Ｖ），最大输出电流２５０ｍＡ；一个频率可调的锯齿波产生电路，振荡频率由{5}脚外接电容及{6}脚外接电阻来决定。{13}脚为高电平时，由{8}脚及{11}脚输出双路反相（即推挽工作方式）的脉宽调制信号。本例为此种工作方式，故将{13}脚与{14}脚相连接。比较器是一种运算放大器，符号用三角形表示，它有一个同相输入端“＋”；一个反相输入端“－”和一个输出端。




比较器同相端电平若高于反相端电平，则输出端输出高电平；反之输出低电平。４９４内的比较放大器有四个，为叙述方便，在图１中用小写字母ａ、ｂ、ｃ、ｄ来表示。其中ａ是死区时间比较器。因两个作逆变工作的三极管串联后接到＋３１０Ｖ的直流电源上，若两个三极管同时导通，就会形成对直流电源的短路。两个三极管同时导通可能发生在一个管子从截止转为导通，而另一个管子由导通转为截止的时候。因为管子在转换时有时间的延迟，截止的管子已经转为导通了，但导通的管子尚未完全转为截止，于是两个管子都呈导通状态而形成对直流电源的短路。为防止这样的事情发生，４９４设置了死区时间比较器ａ。从图１可以看出，在比较器ａ的反相输入端串联了一个“电源”，正极接反相端，负极接４９４的{4}脚。Ａ比较器同相端输入的锯齿波信号，只有大于“电源”电压的部分才有输出，在三极管导通变为截止与截止转为导通期间，也就是死区时间，４９４没有脉冲输出，避免了对直流电源的短路。死区时间还可由{4}脚外接的电平来控制，{4}脚的电平上升，死区时间变宽，４９４输出的脉冲就变窄了，若{4}脚的电平超过了锯齿波的峰值电压，４９４就进入了保护状态，{8}脚和{11}脚就不输出脉冲了。４９４内部还有３个二输入端与门（用１、２、３表示）、两个二输入端与非门、反相器、Ｔ触发器等电路。与门是这样一种电路，只有所有的输入端都是高电平，输出端才能输出高电平；若有一个输入端为低电平，则输出端输出低电平。反相器的作用是把输入信号隔离放大后反相输出。与非门则相当于一个与门和一个反相器的组合。Ｔ触发器的作用是：每输入一个脉冲，输出端的电平就变化一次。如输出端Ｑ为低电平，输入一个脉冲后，Ｑ变为高电平，再输入一个脉冲，Ｑ又回到低电平。比较器、与门、反相器、Ｔ触发器以及锯齿波振荡器及{8}脚、{11}脚输出的波形见图２。３３９是四比较器集成电路。按管脚的顺序把内部四个比较器设为Ａ、Ｂ 、Ｃ 、Ｄ 比较器。４９４和３３９再配合其他电路，共同完成ＡＴＸ电源的稳压，产生ＰＷ－ＯＫ信号及各种保护功能。
　　
一、 产生ＰＷ－ＯＫ信号
　　ＰＣ主机要求各路电源稳定之后才工作，以保护各元器件不致因电压不稳而损坏，故设置了ＰＷ－ＯＫ信号（约＋５Ｖ），主机在获得此信号后才开始工作。接通电源时，要求ＰＷ－ＯＫ信号比±５Ｖ、±１２Ｖ、＋３．３Ｖ电源延迟数百毫秒才产生，关机时ＰＷ－ＯＫ信号应比直流电源先消失数百毫秒，以便主机先停止工作，硬盘的磁头回复到着陆区，以保护硬盘。
　　ＡＴＸ电源接通市电后，辅助电源立即工作。一方面输出 ＋５ＶＳＢ电源，同时向４９４的{12}脚提供十几伏到二十多伏的直流电源。４９４从{14}脚输出＋５Ｖ基准电源，锯齿波振荡器也开始起振工作。若主机未开机，ＰＳ－ＯＮ信号为高电平，经Ｒ３７使３３９的Ｂ比较器{6}脚亦为高电平，因电阻Ｒ３７小于Ｒ４４，{6}脚电平高于{7}脚电平，Ｂ比较器输出端{1}脚输出低电平，经Ｄ３６的钳位作用，Ａ比较器的反相端{4}脚亦为低电平，其电平低于同相端{5}脚的电平，输出端{2}脚呈高电平，经Ｒ４１使４９４的{4}脚为高电平，故４９４内部的死区时间比较器ａ输出低电平，与门１也因此输出低电平并进而使与门２和与门３输出低电平，封锁了振荡器的输出，{8}脚、{11}脚无脉冲输出，ＡＴＸ电源无±５Ｖ、±１２Ｖ、＋３．３Ｖ电源输出，主机处于待机状态。因＋５Ｖ、＋１２Ｖ电源输出为零，经电阻Ｒ１５、Ｒ１６使４９４的{1}脚电平亦为零，４９４的ｃ比较器的输出端{3}脚输出亦为零，经Ｒ４８使３３９的{9}脚亦为零电平，故３３９的Ｃ比较器的输出端{14}脚为零电平。另外，３３９的{1}脚低电平信号因Ｄ３４的钳位作用，也使{14}脚为低电平，经Ｒ５０和Ｒ６３使{11}脚亦为低电平。因此Ｄ比较器的输出端{13}脚为低电平，也就是ＰＷ－ＯＫ信号为低电平，主机不会工作。开启主机时，通过人工或遥控操作闭合了与ＰＳ－ＯＮ相关的开关，ＰＳ－ＯＮ呈低电平，经Ｒ３７使３３９的反相端{6}脚为低电平，Ｂ比较器{1}脚输出高电平，Ｄ３５、Ｄ３６反偏截止，Ａ比较器的输出电平则由{5}脚与{4}脚的电平决定。正常工作时，{5}脚电平低于{4}脚电平，{2}脚输出低电平，经Ｒ４１送到４９４的{4}脚，使{4}脚的电平变为低电平，锯齿波振荡信号可以从死区时间比较器ａ输出脉冲信号，另一方面，振荡信号送到了ＰＷＭ比较器ｂ的同相输入端，ＰＷＭ比较器输出的脉冲信号的宽度，则是由４９４的{1}脚的电平（也就是负载的大小）与{16}脚的电平来决定。ＰＷＭ比较器输出的脉冲信号，最后经缓冲放大器放大后，从{8}、{11}脚输出脉冲信号，ＡＴＸ电源向主机输出±５Ｖ、±１２Ｖ、＋３．３Ｖ电源。此过程因Ｃ３５的充电有数百毫秒的延时，但对主机开机并无影响。４９４的{1}脚从＋５Ｖ、＋１２Ｖ经取样电阻Ｒ１５、Ｒ１６得到电压，其电平略高于{2}脚电平，{3}脚输出高电平，经Ｒ４８使３３９的{9}脚得到高电平，其电平高于{8}脚电平，因而{14}脚输出高电平，此电平经Ｒ５０与基准＋５Ｖ电源经Ｒ６４共同对Ｃ３９充电，经数百毫秒后，{11}脚电平升到高于{10}脚电平时，Ｄ比较器{13}脚输出高电平，此电平经Ｒ４９反馈至{11}脚，维持{11}脚处于高电平状态，故{13}脚输出稳定的高电平 ＰＷ－ＯＫ信号，主机检测到此信号后即开始正常工作。
       关机时，主机内开关使ＰＳ－ＯＮ呈高电平，此时３３９的{6}脚电平高于{7}脚，{1}脚输出低电平，因二极管Ｄ３４的钳位作用，{14}脚呈低电平，Ｃ３９对Ｃ比较器及Ｂ比较器放电，很快{11}脚呈低电平，{13}脚输出低电平，即ＰＷ－ＯＫ信号呈低电平。在３３９的{1}脚为低电平时，经Ｄ３６使{4}臆脚为低电平，{2}脚输出高电平，经Ｒ４１传送到４９４的{4}脚，但因Ｃ３５电位不能突变，经数百毫秒的放电后方使４９４的{4}脚转为高电平，从而封锁正负脉冲的输出 ，主机进入待机状态。上述的过程中，关机时Ｃ３９和Ｃ３５都要放电，但因放电时间常数不同，Ｃ３９放电较快，故ＰＷ－ＯＫ信号先于各电源变成低电平，满足了主机关机的需要。此外，关机时因各路输出电源的电解电容放电需要时间，也使ＰＷ－ＯＫ信号先于各电源回到低电平。
      
二、 稳压
       ４９４的{2}脚经Ｒ４７与基准电压＋５Ｖ相连，维持较好的稳定电压，而{1}脚则与取样电阻Ｒ１５、Ｒ１６与＋５Ｖ、＋１２Ｖ相连接，正常的情况下，{1}脚电平与{2}脚电平相等或略高。当输出电压升高时（无论＋５Ｖ或＋１２Ｖ），{1}脚电平高于{2}脚电平，ｃ比较器输出误差电压与锯齿波振荡脉冲在ＰＷＭ比较器ｂ进行比较使输出脉冲宽度变窄，输出电压回落到标准值，反之则促使振荡脉冲宽度增加，输出电压回升。由于４９４内的放大器增益很高，故稳压精度很好。从稳压的原理，我们可以得到ＡＴＸ电源输出电压偏高或偏低的维修方法。如果输出电压偏低，可在４９４的{1}脚对地并联电阻，或是把Ｒ４７的电阻增大。要是电源的输出偏高，则可在{2}脚对地并联电阻，也可以用增大Ｒ３３或取下Ｒ６９、Ｒ３５来降低输出电压。
      
三、 过流保护
       过流保护的原理是基于负载愈大，Ｑ３、Ｑ４集电极的脉冲电压也愈高，也即是Ｒ１３（１．５ｋΩ）上的电压也愈高，从这里采样经Ｄ１４整流和Ｃ３６滤波，再经Ｒ５４、Ｒ５５并联电阻与Ｒ５１、Ｒ５６、Ｒ５８等组成的分压电路送到４９４的{16}脚。随着负载的加重，{16}脚的电平也随之上升，当超过{15}脚的电平时，误差放大器输出的误差电压促使调制脉冲的宽度变窄从而使负载电流减小。另外，从Ｒ５６、Ｒ５８并联电阻获得的分压再经Ｒ５２送到３３９的{5}脚，当{5}脚的电平超过{4}脚时，{2}脚即输出高电平送到４９４的{4}脚，４９４停止输出脉冲信号，终止±５Ｖ、±１２Ｖ、＋３．３Ｖ电源的输出，达到过流及短路保护的目的。需要说明的是：４９４的{16}脚电平的高低只能改变输出脉冲的宽度，但不影响４９４的{4}脚电平状态，而３３９的{5}脚电平一旦超过{4}脚的电平，３３９的{2}脚就送出高电平去封锁４４９的脉冲输出，终止±５Ｖ、±１２Ｖ、＋３．３Ｖ电源的输出，同时{2}脚的高电平经Ｒ５９和二极管Ｄ３９反馈到{5}脚，维持{5}脚处于高电平状态，此时若过载或短路状态消失，４９４的{4}脚仍维持高电平，±５Ｖ与±１２Ｖ、＋３．３Ｖ电源仍不能输出，只有切断交流市电的输入，再重新接通交流电，方可再次开机。




四、 过压保护
       过电压保护由Ｒ１７和稳压管Ｚ０２并联电路从＋５Ｖ采样，经Ｄ３７送到３３９的{5}脚。若＋５Ｖ电源由于某种原因升高，３３９的{5}脚电平也会随之升高，当超过{4}脚电平时，{2}脚即送出高电平去４９４的{4}脚，封锁±５Ｖ、±１２Ｖ、＋３．３Ｖ电源的输出，达到过电压保护的目的。正常工作时，Ｒ１７上的压降不大，Ｚ０２截止送到{5}脚的电压较低，若＋５Ｖ电源的电压上升，使Ｒ１７上的压降超过Ｚ０２的稳压值，Ｚ０２导通，＋５Ｖ电源上升后的电压值全部加到３３９的{5}脚上，促使其快速封锁４９４脉冲的输出，以保护电源。
　　
五、 欠压保护
　　欠压保护从－５Ｖ的Ｄ３２及－１２Ｖ处的Ｒ１４取样，经Ｒ３４和Ｄ３７送到３３９的{5}脚。若因某种原因使输出电压过低时，－１２Ｖ及 －５Ｖ电压的负值也会随之减小，也就是电压值上升，经Ｒ３４及Ｄ３７送往３３９的{5}脚使电平上升，３３９的{2}脚送出高电平到４９４的{4}脚，从而封锁 ４４９脉冲的输出，实现欠压保护。二极管Ｄ３２在导通时，其电压降与通过的电流基本无关，保持在０．６Ｖ～０．７Ｖ，于是－５Ｖ电压的减少量会全部传送到Ｄ３２的负端，提高了欠压保护的灵敏度。
　　
六、电源保护电路故障的维修
　　从上面的叙述中可以了解到，各种保护电路最终都是通过控制３３９的{5}脚电平来控制４９４的{4}脚电平实现的。正常工作时，３３９的{5}脚电平低于３３９的{4}脚电平，３３９的{2}脚输出低电平，使４９４的{4}脚呈低电平状态（约为０．２５Ｖ）。若３３９的{5}脚电平高于３３９的{4}脚电平，３３９的{2}脚输出高电平，于是４９４的{4}脚变为高电平，电源就进入了保护状态，终止各路电源的输出。因此ＡＴＸ电源出了故障，若电源的整流、滤波、逆变以及辅助电源均完好，则要检查３３９的{4}、{5}脚的电平。若是{5}脚电平高于{4}脚的电平，表示电源进入了保护状态。下一步则找出是什么原因使电源进入了保护状态。可检查与３３９的{5}脚相连各支路另一端的电压是不是比{5}脚电压高，高出{5}脚电压的支路就是故障所在的支路。另外，也可以用断开与{5}脚相连的一个个支路，若是断开某一条支路后{5}脚的电平正常了，那么故障就出在这一条支路上。再沿着这条支路往下查，很快就可以把故障排除。下面通过两个实例来加以说明。
　　
１．一台ＳＬＰＳ－２５０ＡＴＸＣ电源的输出电压偏低。空载下，＋５Ｖ电源的电压只有＋１．８Ｖ，其他各路电压也按比例同样下降。电源是采用ＴＬ４９４及ＬＭ３３９集成电路的典型ＡＴＸ电路。检查４９４的{4}脚电压为＋２．６Ｖ。电路似乎处于保护状态。但保护状态时各路输出的电压均应为零，而现在却是正常电压的三分之一，令人费解。试着把４９４的第{4}脚接地，电源立即输出正常。{4}脚接地就正常工作，说明４９４并未损坏，问题可能出在３３９以及有关的电路。用万用表查３３９管脚的电压，当查到第{4}脚及{7}脚时，各路电源均正常了。甚至只用一条表笔去碰{7}脚或{4}脚，也可使电源恢复正常工作。这等于在{4}脚或{7}脚上加了一条“天线”，天线接收了外来信号电源就工作正常了！我试了试天线的长度，４０厘米以下对电源不起作用，长度增加了，输出电压也随着增加，达到１米左右时，输出电压就正常了，４９４的{4}脚电压也恢复到０Ｖ。但电源要用“天线”才能工作，说明还有故障未找到。再检查３３９的{4}脚与{5}脚的电压，{5}脚电压为２．４Ｖ，{4}脚的电压为１．２Ｖ，输出端{2}脚的电压为２．９Ｖ。（这部分电路见图３）。但是３３９的{2}脚高电位，必须由{5}脚电位高于{4}脚的电位时才能产生，那{5}脚最初的高电位是怎么来的？把与{5}脚相连的各支路断开试一试 。在断开ｃ支路以后，电源就正常了。沿着Ｄ２往下找，最后在＋３．３Ｖ电源处对地接一个１０００μＦ的电容时，电源就正常了。再检查＋３．３Ｖ电源原来的滤波电容，发现已经失效。更换电容后 ４９４的{4}脚电压恢复正常，用表笔去碰触３３９的{4}脚或{7}脚也不起作用，问题得到了解决。为什么＋３．３Ｖ电源的滤波电容失效会造成输出电压偏低？＋３．３Ｖ电源在没有电容滤波时，输出的直流电源中含有很强的由逆变功率管输出的脉冲成分，通过Ｄ３及Ｄ２送到ＬＭ３３９的{5}脚，使{5}脚的电平高于{4}脚的电平，电源进入了保护状态。从＋２０Ｖ电源经Ｒ３、Ｄ１、Ｒ２和三个并联电阻到接地的支路中，三个电阻并联后的电阻值是２．４３ｋΩ，再略去其他支路的影响，可以估算出{5}脚的电压大约是２．３Ｖ，因二极管Ｄ１的钳位作用，{2}脚输出电压只能在２．９Ｖ左右，经Ｒ１送到ＴＬ４９４的{4}脚，减去电阻Ｒ１的降压，４９４的{4}脚电压就是２．６Ｖ了。在此电压下，４９４会输出较窄的脉冲，于是在空载下，＋５Ｖ电源有约１．８Ｖ的电压输出。解决的办法可在ｄ支路中串联一个４７ｋΩ的电阻，并把Ｒ２由３．９ｋΩ换成１００ｋΩ就行了。经这样处理后，不论是正常工作或是保护状态，各路电源的输出电压和各管脚的电压均正常了。而Ｒ２电阻的改动，也不会影响电源的过载保护性能。至此，电源的故障才完全得到了解决（爱好者手中若有ＳＬＰＳ－２５０ＡＴＸＣ电源，可参考此例加一个４７ｋΩ电阻以提高电源的保护性能）。




为什么３３９的{4}脚加了天线会正常工作呢？这是{2}脚经Ｄ１反馈到{5}脚后，产生了轻微的高频寄生振荡。{4}脚或{7}脚接了天线以后，破坏了电路的振荡条件，使{4}脚的电压升高，当超过{5}脚的电压时，{2}脚送出０Ｖ的低电平信号到４９４的{4}脚，电源就工作正常了。同样，在Ｄ１支路中串联了４７ｋΩ电阻后，增加了阻尼因数，破坏了电路的振荡条件，电源也就正常了。此时若取下＋３．３Ｖ电源处新加的电解电容，通电后，电源会立即进入保护状态，各路电源都没有输出。
　　
２．一台新时代ＨＹ－ＡＴＸ３００电源，空载时输出电压正常，但不能带动负载。检查４９４各个管脚的电压，发现{12}脚的电压只有１０Ｖ，这是造成不能带动负载的原因。在辅助电源逆变变压器Ｔ３的初级线圈１加上１６．５Ｖ的高频电压，测得次级＋５ＶＳＢ挡线圈３的电压是０．９Ｖ，向４９４集成电路{12}脚供电线圈４的电压为１．５Ｖ，约是＋５ＶＳＢ挡线圈电压的１．７倍。电源的＋５ＶＳＢ电源是直接从线圈３经整流和滤波后得到，＋５ＶＳＢ电源的稳压则是借助ＷＤ４３１稳压集成电路和光电耦合器反馈回逆变三极管得到的，如图４所示。由此可以算出线圈４的电压为５×１．７＝８．５Ｖ，因负载较轻，经电容滤波后的电压就是１０Ｖ左右了。由此说明Ｔ３脉冲变压器线圈４的匝数少了。拆开Ｔ３变压器，得到各绕组的匝数为：初级２×１１０匝；反馈绕组１０匝；＋５ＶＳＢ绕组１２匝；绕组４的匝数是８匝。重新绕制绕组４，把匝数由原来的８匝增加到２０匝，其余绕组的匝数不变。绕好后上机实验，４９４集成电路{12}脚的电压上升到１７Ｖ，电源的输入功率可达１３０Ｗ，故障排除。从故障现象看，可能是工厂生产时将变压器装错了。