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无线电电子与电气工程百科全书 个人电脑电源电路设计。 无线电电子电气工程百科全书
用于个人计算机的开关电源（UPS）具有重要的优点——尺寸小、重量轻。 然而，它们是根据相当复杂的方案构建的，这使得故障排除变得困难。 所提议文章的作者在谈论这些块的电路时，依赖于 UPS（即所谓的 AT 格式）的经验。 家用计算机的 UPS 设计为通过单相交流网络运行（110/230 V、60 Hz - 进口、127/220 V、50 Hz - 国产）。 由于俄罗斯普遍接受 220 V、50 Hz 的网络，因此不存在为所需电源电压选择单位的问题。 您只需确保设备上的电源电压开关（如果有）设置为 220 或 230 V。没有开关表明设备能够在其标签上指示的电源电压范围内运行，无需进行任何切换。 专为 60 Hz 设计的 UPS 在 50 Hz 网络上完美运行。 UPS 通过带有插座 P8 和 P9 的两条线束连接到 AT 格式主板，如图 1 所示。 XNUMX（从巢中查看）。 括号中显示的电线颜色是标准颜色，但并非所有 UPS 制造商都严格遵循它们。 为了在连接到主板插头时正确定位插座，有一个简单的规则：连接到两个插座的四根黑线（GND 电路）必须并排放置。
ATX格式主板的主要供电电路集中在图2所示的连接器中。 5. 与前一种情况一样，从插座侧面查看。 这种格式的UPS具有远程控制输入（PS-ON电路），当连接到公共线（COM电路-“公共”，相当于GND）时，连接到网络的设备开始工作。 如果 PS-ON-COM 电路损坏，则 UPS 输出端没有电压，+ 5VSB 电路中的“值班”+XNUMX V 除外。 在此模式下，网络功耗非常低。
ATX UPS 配有附加输出插座，如图 3 所示。 XNUMX.
其电路的用途如下： FanM——冷却UPS的风扇速度传感器的输出（每转两个脉冲）； FanC - 模拟 (0...12 V) 输入，用于控制该风扇的转速。 如果该输入与外部电路断开或施加超过 10 V 的直流电压，则风扇性能达到最大； 3.3V Sense - +3,3 V 电压调节器反馈信号输入。它通过单独的电线直接连接到系统板上的微电路电源引脚，这使您可以补偿电源线上的压降。 如果没有附加插座，则将此电路引出至主插座的插座11（见图2）； 1394R - 减去与公共线 8 ... 48 V 隔离的电压源，为 IEEE-1394 接口的电路供电； 1394V - 加上相同的来源。 任何格式的 UPS 都必须配备多个插座，为磁盘驱动器和一些其他计算机外围设备供电。 每个“计算机”UPS 都会输出一个逻辑信号，在 AT 设备中称为 R G.（电源正常），在 ATX 设备中称为 PW-OK（电源正常），该信号表明所有输出电压均在可接受的范围内。 在计算机的“主板”板上，该信号参与系统复位信号（Reset）的形成。 UPS 开机后，信号电平为 RG。 (PW-OK) 保持低电平一段时间，禁用处理器，直到电源电路中的瞬态完成。 如果发生主电源故障或 UPS 突然发生故障，PG 信号 (PW-OK) 的逻辑电平会在设备的输出电压降至可接受值以下之前发生变化。 这会导致处理器停止，防止内存中存储的数据损坏以及其他不可逆操作。 UPS 互换性可以通过以下标准进行评估。 为 AT 格式 IBM PC 供电的输出电压数量必须至少为四种（+12V、+5V、-5V 和 -12V）。 每个通道的最大和最小输出电流单独调节。 表中给出了不同功率源的通常值。 1.
ATX格式的计算机还需要+3,3V和一些其他电压（上面提到过）。 请注意，当负载小于最小值时，无法保证机组正常运行，有时这种模式简直是危险的。 因此，不建议在网络中空载时开启 UPS（例如进行测试）。 完全配备外围设备的消费类 PC 中的电源装置的功率（所有输出电压的总和）必须至少为 200 瓦。 实际上需要 230 ... 250 W，并且在安装额外的“硬盘驱动器”和 CD-ROM 驱动器时，可能需要更多功率。 PC 故障，尤其是在上述设备的电动机打开时发生的故障，通常与电源过载密切相关。 用作信息网络服务器的计算机的功耗高达 350 瓦。 低功率（40 ... 160 W）的 UPS 用于专用设备，例如具有有限外围设备的控制计算机。 UPS 所占用的体积通常会随着其朝向 PC 正面的长度的增加而增大。 设备在计算机机箱中的安装尺寸和安装点保持不变。 因此，任何块（除了极少数例外）都可以安装来代替发生故障的块。 大多数 UPS 基于推挽式半桥逆变器，工作频率为几十千赫。 逆变器电源电压（约 300 V）是经过整流和平滑的电源电压。 逆变器本身由一个控制单元（带有中间功率放大级的脉冲发生器）和一个强大的输出级组成。 后者加载在高频电源变压器上。 使用连接到该变压器的次级绕组的整流器获得输出电压。 使用逆变器生成的脉冲的脉宽调制 (PWM) 来实现电压稳定。 通常，稳定反馈仅覆盖一个输出通道，通常为+5 或+3,3 V。因此，其他输出上的电压不依赖于电源电压，但仍会受到负载的影响。 有时，它们还使用传统的稳定器微电路进行额外稳定。 网络整流器 在大多数情况下，该节点是根据类似于图4所示的方案来执行的。 1、区别仅在于整流桥VDXNUMX的类型以及或多或少的保护和安全元件。
有时，电桥由单独的二极管组装而成。 当开关 S1 打开时，对应于来自网络 220 ... 230 V 的设备电源，整流器是一个桥，其输出端的电压（串联的电容器 C4、C5）接近市电的幅度。 当由 110 ... 127 V 网络供电时，通过闭合开关触点，它们将设备变成电压加倍的整流器，并在其输出端接收恒定电压，该电压是电源幅度的两倍。 UPS 中提供了这种开关，只有当市电偏差 ± 20% 时，UPS 的稳定器才会将输出电压保持在可接受的范围内。 具有更高效稳定性的装置能够在任何电源电压（通常从 90 至 260 V）下运行，而无需切换。 电阻R1、R4和R5用于在整流器电容器与网络断开后对其进行放电，此外C4和C5还用于均衡电容器C4和C5上的电压。 具有负温度系数的热敏电阻R2限制了开机时电容器C4、C5的充电电流浪涌的幅度。 然后，由于自热，其电阻下降，实际上不会影响整流器的工作。 压敏电阻 R3 的分类电压大于电源最大幅度，可防止电源浪涌。 不幸的是，如果开关 S1 闭合的模块意外连接到 220 V 网络，则该压敏电阻就没用了。用分级电压为 4 的压敏电阻替换电阻器 R5、R180 ... 有时压敏电阻与指定电阻器并联或仅与其中之一并联。 电容器C1-C3和两绕组电感L1组成滤波器，保护计算机免受网络的干扰，以及网络免受计算机产生的干扰。 通过电容器C1和C3，计算机机箱通过交流电连接到网络的电线。 因此，未接地的计算机的接触电压可以达到网络电压的一半。 这不会危及生命，因为电容器的电抗相当大，但当外围设备连接到计算机时，常常会导致接口电路出现故障。 强大的逆变器级联 图上。 图5为普通GT-150W UPS的部分示意图。
控制单元产生的脉冲通过变压器T1馈送到晶体管VT1和VT2的基极，依次打开它们。 二极管VD4、VD5保护晶体管免受反极性电压的影响。 电容器C6和C7对应于整流器中的C4和C5（见图4）。 对变压器T2次级绕组的电压进行整流得到输出。 图中显示了其中一个整流器（带 L6C7 滤波器的 VD1、VD5）。 最强大的 UPS 级与所考虑的级的不同之处仅在于晶体管的类型，例如，晶体管可以是现场操作的或包含内置保护二极管。 基极电路（用于双极）或门电路（用于场效应晶体管）有多种版本，具有不同的元件数量、额定值和开关电路。 例如，电阻器R4、R6可以直接连接至各个晶体管的基极。 稳态时，逆变控制单元由UPS的输出电压供电，但在开机瞬间，逆变控制单元不供电。 有两种主要方法可以获得启动逆变器所需的电源电压。 其中第一个已在正在考虑的方案中实施（图 5）。 在打开设备后，整流后的电源电压立即通过电阻分压器R3-R6提供给晶体管VT1和/T2的基极电路，使它们稍微打开，并且二极管VD1和VD2防止变压器T1的绕组II和III对晶体管的基极-发射极部分进行分流。 同时，电容器C4、C6和C7正在充电，电容器C4的充电电流流经变压器T2的绕组I和变压器T1的绕组II，在后者的绕组II和III中感应电压，打开一个晶体管并关闭另一个。 哪个晶体管将闭合、哪个晶体管将打开取决于级联元件的特性的不对称性。 由于正OS的作用，该过程像雪崩一样进行，变压器T2的绕组II中通过二极管VD6、VD7、电阻器R9和二极管VD3之一感应的脉冲将电容器C3充电到足以启动控制单元的操作的电压。 以后再通过同样的电路馈电，经二极管VD6、VD7整流后的电压，经L1C5滤波器平滑后，供给UPS的输出+12V。 LPS-02-150XT UPS 中使用的初始启动电路型号的不同之处仅在于分压器的电压（与 R3 - R6（图 5）类似）由带有小型滤波电容器的独立半波电源电压整流器提供。 因此，逆变器晶体管在主整流器滤波电容器（C6、C7，见图 5）充电之前稍微打开，从而确保更可靠的启动。 启动期间为控制单元供电的第二种方法涉及使用带有整流器的特殊低功率降压变压器，如图 6 所示。 200 应用于UPS PS-12B。 选择变压器次级绕组的匝数，使得整流电压略小于单元+5V通道中的输出，但足以满足控制单元的操作。 当UPS的输出电压达到标称值时，二极管VD1打开，桥式二极管VD4-VDXNUMX在整个交流电压期间保持闭合，控制单元切换到逆变器的输出电压，而不消耗更多“启动”变压器的能量。
在以这种方式启动的高功率逆变器级中，不需要晶体管基极上的初始偏置和正反馈。 因此，不需要电阻R3、R5，用跳线代替二极管VD1、VD2，变压器T1的绕组II采用无抽头的方式(见图5)。 输出整流器 图上。 图 7 显示了四通道 UPS 整流器组件的典型示意图。
为了不破坏电源变压器磁路磁化反转的对称性，整流器仅按照全波电路构建，几乎不使用损耗增大的桥式整流器。 UPS整流器的主要特点是平滑滤波器，从电感（扼流圈）开始。 具有类似滤波器的整流器输出端的电压不仅取决于输入脉冲的幅度，还取决于输入脉冲的占空比（持续时间与重复周期的比率）。 这使得可以通过改变输入的占空比来稳定输出电压。 在许多其他情况下使用的、带有以电容器开头的滤波器的整流器不具有此特性。 改变脉冲占空比的过程通常称为脉宽调制——脉冲宽度调制（PWM——Pulse Width Modulation）。 由于单元中所有整流器输入端的脉冲幅度与电源网络中的电压成正比，因此根据相同的规律变化，因此使用 PWM 稳定其中一个输出电压可以稳定所有其他输出电压。 为了增强这种效果，所有整流器的滤波扼流圈L1.1 - L1.4都缠绕在公共磁路上。 它们之间的磁连接还同步了整流器中发生的过程。 为了使带有L滤波器的整流器正确运行，其负载电流必须超过某个最小值，该最小值取决于滤波电感器的电感和脉冲频率。 该初始负载由与输出电容器 C4 - C7 并联连接的电阻器 R5 - R8 创建。 它们还可以在 UPS 关闭后加速电容器的放电。 有时使用5系列集成稳压器，无需单独整流即可从-12V电压获得-7905V电压，国产类似物有KR1162EN5A、KR1179EN05微电路。 该电路中计算机节点消耗的电流通常不超过几百毫安。 在某些情况下，其他 UPS 通道中也安装了一体式稳定器。 该解决方案消除了负载变化对输出电压的影响，但降低了装置的效率，因此仅用于功率相对较低的通道。 PS-6220C UPS 整流器组件图就是一个例子，如图 8 所示。 7. 二极管VD10 - VDXNUMX - 保护。
与大多数其他模块一样，肖特基势垒二极管（VD5 组件）安装在 +6 V 电压整流器中，与传统二极管相比，其特点是正向压降更低，反向电阻恢复时间更短。 这两个因素都有利于提高效率。 不幸的是，相对较低的允许反向电压不允许在+12V通道中使用肖特基二极管，但是，在所考虑的节点中，通过串联两个整流器解决了这个问题：到5V时，缺少的7V由肖特基二极管VD5组件上的整流器添加。 为了消除脉冲前端变压器绕组中出现的对二极管造成危险的电压浪涌，提供了阻尼电路 R1C1、R2C2、R3C3 和 R4C4。 控制单元 在大多数“计算机”UPS中，该节点是基于TL494CN PWM控制器芯片（国产模拟-KR1114EU4）或其修改版本构建的。 这种节点图的主要部分如图 9 所示。 参照图XNUMX，还示出了所述微电路的内部器件的元件。
锯齿波电压发生器G1作为主设备。 其频率取决于外部元件R8和C3的额定值。 产生的电压被提供给两个比较器（A3和A4），其输出脉冲由OR元件D1汇总。 此外，通过元件OR-NOT D5和D6的脉冲被馈送到微电路的输出晶体管(V3、V4)。 来自元件 D1 输出的脉冲也到达触发器 D2 的计数输入，并且每个脉冲都会改变触发器的状态。 因此，如果将日志施加到微电路的引脚 13。 如果在图1中或者在所考虑的情况下它是自由的，则元件D5和D6的输出处的脉冲交替，这是控制推挽式逆变器所必需的。 如果TL494芯片用于单周期电压转换器，则13脚连接到公共线，这样触发器D2就不再参与工作，所有输出端同时出现脉冲。 元件A1是UPS输出稳压电路中的误差信号放大器。 该电压（在本例中为 +5V）通过电阻分压器 R1R2 馈送到放大器的输入之一。 在其第二输入处，使用电阻分压器 R5 - R3 从内置于微电路中的 A5 稳定器获得示例性电压。 输出 A1 处的电压与输入之间的差值成正比，设置比较器 A4 的操作阈值，从而设置其输出处脉冲的占空比。 由于 UPS 的输出电压取决于占空比（见上文），因此在封闭系统中，考虑到分频系数 R1R2，它会自动保持等于示例性系统。 R7C2链对于稳定剂的稳定性是必需的。 在这种情况下，第二个放大器 (A2) 通过向其输入施加适当的电压来关闭，并且不参与工作。 比较器A3的功能是确保即使放大器A1的输出电压超出范围，元件D1的输出处的脉冲之间也有暂停。 最小触发阈值 A3（当引脚 4 连接到公共端时）由内部电压源 GV1 设置。 随着引脚4电压的升高，最小暂停时间增加，因此UPS的最大输出电压下降。 该属性用于软启动 UPS。 事实上，在设备运行的初始时刻，其整流器的滤波电容器完全放电，这相当于关闭公共线的输出。 立即“全功率”启动逆变器将导致强大级联晶体管的巨大过载以及可能的故障。 C1R6 电路为逆变器提供平滑、无过载的启动。 接通电源的第一瞬间，电容C1放电，DA4的1脚电压接近+5V，由稳压器A5接收。 这保证了最大可能持续时间的暂停，直到微电路的输出处完全没有脉冲。 当电容器 C1 通过电阻器 R6 充电时，引脚 4 处的电压下降，暂停的持续时间也随之下降。 同时，UPS输出电压升高。 这一过程一直持续到接近示例性反馈且稳定反馈生效为止。 电容器C1的进一步充电不会影响UPS中的过程。 由于UPS每次开机前必须将电容器C1完全放电，因此很多情况下都设有对其进行强制放电的电路（图9中未示出）。 中间级联 该级联的任务是在将脉冲馈送到强大的晶体管之前将其放大。 有时，中间级作为独立节点不存在，而是主振荡器微电路的一部分。 PS-200B UPS 中使用的级联图如图 10 所示。 1. 这里的匹配变压器 T5 对应于图 XNUMX 中的同名变压器。 XNUMX.
APIS UPS 根据图 11 所示的方案使用中间级。 参见图1，其与上面讨论的不同之处在于存在两个匹配变压器T2和TXNUMX——分别用于每个强大的晶体管。 变压器绕组的切换极性使得中间级的晶体管和与其相关的大功率晶体管同时处于开路状态。 如果不采取特殊措施，逆变器运行几个周期后，变压器磁芯中能量的积累将导致变压器磁芯饱和，绕组电感显着下降。
让我们以带有变压器 T1 的中间级“一半”之一为例来考虑如何解决这个问题。 当微电路的晶体管开路时，绕组Ia连接至电源和公共线。 线性增加的电流流过它。 绕组 II 中感应出正电压，该电压进入大功率晶体管的基极电路并将其打开。 当微电路中的晶体管闭合时，绕组Ia中的电流将被中断。 但变压器磁路中的磁通量不能瞬间变化，因此，绕组Ib中会出现线性减小的电流，通过开路的二极管VD1从公共线流向电源正极。 因此，脉冲期间磁场中积累的能量在暂停期间返回到源。 暂停期间，绕组II上的电压为负，大功率晶体管关闭。 以类似的方式，但反相，具有变压器 T2 的级联的第二个“一半”工作。 磁路中具有恒定分量的脉动磁通量的存在导致需要增加变压器T1和T2的质量和体积。 一般来说，带有两个变压器的中间级并不是很成功，尽管它已经变得相当普遍。 如果TL494CN芯片的晶体管的功率不足以直接控制逆变器的输出级，则可以采用类似于图12所示的电路。 图150显示了KYP-1W UPS的中间阶段。 变压器T1的一半绕组I充当晶体管VT2和VT1的集电极负载，它们由来自DA5微电路的脉冲交替地打开。 电阻器 R20 将晶体管的集电极电流限制为大约 1 mA。 在晶体管VT2和VT1发射极上的二极管VD1、VD2和电容器C1,6的帮助下，维持它们可靠闭合所需的+4V电压。二极管VD5和VD1抑制由变压器T3的绕组I的电感和其自身的电容形成的电路中晶体管开关时刻发生的振荡。 如果绕组I中间端子的电压浪涌超过级联的电源电压，则二极管VDXNUMX截止。
中间级电路的另一个版本（UPS ESP-1003R）如图 13 所示。 XNUMX.
在这种情况下，DA1芯片的输出晶体管按照共集电极电路连接。 电容器C1和C2强制。 变压器T1的绕组I没有平均输出。 根据晶体管VT1、VT2当前断开的情况，绕组电路通过连接到闭合晶体管集电极的电阻器R7或R8与电源闭合。 故障排除 在修理 UPS 之前，必须将其从计算机系统单元上拆下。 为此，请从插座上拔下插头，以断开计算机与网络的连接。 打开计算机机箱，松开所有 UPS 连接器，拧下系统单元后壁上的四个螺钉，卸下 UPS。 然后拧下固定 U 形盖的螺钉，取下 UPS 外壳的 U 形盖。 拧下固定印刷电路板的三个“自攻”螺钉即可将其卸下。 许多UPS的电路板的一个特点是公共线的印刷导体被分成两部分，它们仅通过单元的金属外壳相互连接。 在从外壳中取出的电路板上，这些部件必须用悬挂导体连接。 如果不到半小时前断开电源，则需要找到板上的氧化电容器220或470 uF x 250 V并将其放电（这些是单元中最大的电容器）。 在维修过程中，建议每次将设备与网络断开后重复此操作，或使用 100 ... 200 kOhm 的电阻器临时并联电容器，功率至少为 1 W。 首先，他们检查UPS的部件并找出明显有故障的部件，例如烧坏或外壳破裂。 如果设备故障是由风扇故障引起的，则应检查散热器上安装的元件：强大的逆变器晶体管和输出整流器的肖特基二极管组件。 在氧化物电容器“爆炸”期间，其电解液会喷洒到整个电容器上。 为避免金属载流部件氧化，需要用微碱性溶液（例如用水按1：50的比例稀释Fairy）洗去电解液。 将设备连接到网络后，首先应测量其所有输出电压。 如果发现至少其中一个输出通道的电压接近标称值，则应在故障通道的输出电路中查找故障。 然而，实践表明，输出电路很少出现故障。 当所有通道均出现故障时，故障排除步骤如下。 测量电容器C4正极和C5负极（见图4）或晶体管VT1集电极和VT2发射极之间的电压（见图5）。如果测量值明显小于310V，则需要检查，必要时更换二极管电桥VD1（见图4）或其各个二极管。 如果整流电压正常，但装置不工作，很可能是大功率逆变级（VT1、VT2，见图 5）的一个或两个晶体管出现故障，这些晶体管会承受最大的热过载。 对于可用的晶体管，仍然需要检查 TL494CN 芯片及其相关电路。 故障晶体管可按表中数据，选用与电气参数、外形及安装尺寸相适应的国产或进口晶体管进行更换。 2.
根据表选择替换二极管。 3.
市电整流器的整流二极管（见图4）可成功替代国产KD226G、KD226D。 如果电源整流器中安装了容量为 220 uF 的电容器，建议更换为 470 uF 的电容器，板上通常会提供一个位置。 为了减少干扰，建议为 1000 ... 400 V 电压使用 450 pF 电容器并联四个整流器二极管。 三极管2SC3039可用国产KT872A替代。 但更换失效二极管的PXPR1001阻尼二极管即使在大城市也很难买到。 在这种情况下，可以使用三个串联的KD226G或KD226D二极管。 可以使用带有内置阻尼二极管的晶体管（例如 2SD2333、2SD1876、2SD1877 或 2SD1554）来更换故障二极管和受其保护的强大晶体管。 值得注意的是，在许多1998年以后生产的UPS中，已经进行了这样的更换。 为了提高 IED 的可靠性，建议将电感为 7 μH 的扼流圈与电阻器 R8 和 R5 并联（见图 4）。 它们可以用直径至少为 0,15 毫米的丝绝缘线缠绕在任何环形磁芯上。 匝数根据已知公式计算。 许多 UPS 中没有用于调节输出电压的微调电阻器（R3，见图 9）；而是安装了一个恒定电阻器。 如果需要调谐，可以临时安装一个调谐电阻，然后再次用找到的恒定值替换它。 为了提高可靠性，可将功率最大的+12V和+5V整流器滤波器中安装的进口氧化电容器替换为电容和电压相当的K50-29电容器。 应该注意的是，并非电路提供的所有电容器都安装在许多 UPS 的板上（显然不经济），这会对装置的特性产生负面影响。 建议将缺失的电容器安装在指定的位置。 维修后组装设备时，不要忘记拆下临时安装的跳线和电阻，并将内置风扇连接到相应的连接器。 文学
作者：R. Aleksandrov，Maloyaroslavets，卡卢加地区
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