基于TL494与LM339的ATX电源控制电路原理分析

2017-03-16 82 0

本文分析一款ATX电源的控制电路。该控制部分采用TL494(部分电源使用管脚功能与之相同的KA7500B,二者可以互换)与LM339集成电路(下文简称为494与339)。TL494为16脚双列直插集成电路,工作电压范围为7 V至40 V。其内部含有一路由⑭脚输出的+5 V基准电源,输出电压为+5 V(±0.05 V),最大输出电流250 mA;同时含有一个频率可调的锯齿波产生电路,振荡频率由⑸脚外接电容与⑹脚外接电阻决定。当⑬脚为高电平时,⑻脚与⑾脚输出两路相位相反(推挽方式)的脉宽调制信号,本例即采用该工作方式,故将⑬脚与⑭脚相连。

比较器是一种运算放大器,用一个输入端(同相端,记为“+”)、一个反相输入端(“-”)与一个输出端组成。当同相端电平高于反相端时,输出为高电平;反之输出为低电平。TL494内共有四个比较放大器,为叙述方便以字母a、b、c、d表示,其中a是死区时间比较器。

ATX电源中两只用于逆变的功率管串联后接到+310 V直流电源上,若两只管子同时导通则会直接短路直流电源。两只管子同时导通可能发生在其中一个由截止转向导通、而另一个由导通转向截止的交替瞬间——由于管子存在开关时间延迟,可能出现“已截止的尚未完全截止、已导通的尚未完全导通”的瞬态,从而导致两只管子在全导通。为防止这一现象,494设置了死区时间比较器a:在其反相输入端串联了一个“电源”,正极接反相端,负极接⑷脚。比较器a同相端输入的锯齿波只有高于该“电源”电压的部分才有输出,因而在三极管导通—截止转换的死区时间内494不输出脉冲,避免直流电源短路。死区时间还可用⑷脚外接电平控制:⑷脚电平上升,死区时间变宽,输出的脉冲变窄;若⑷脚电平超过锯齿波峰值,494即进入保护状态,⑻脚与⑾脚不再输出脉冲。

494内部还含有三个二输入端与门(编号1、2、3)、两个二输入端与非门、反相器与T触发器。与门只有当全部输入为高电平时输出才为高;只要有一个输入为低即输出低。反相器将输入信号隔离放大后反相输出;与非门相当于与门与反相器的组合。T触发器每输入一个脉冲,输出电平即翻转一次。LM339为四比较器集成电路,按管脚顺序将内部四个比较器分别设为A、B、C、D。494与339配合其他外围电路,共同完成ATX电源的稳压,产生PW-OK信号并实现多种保护功能。

一、产生PW-OK信号

PC主机要求各路电源建立稳定之后才投入工作,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+5 V)。接通电源时,要求PW-OK信号比±5 V、±12 V、+3.3 V电源延迟数百毫秒才产生;关机时,则要求PW-OK信号比各路直流电源提前数百毫秒消失,以便主机先停止工作、硬盘磁头回到着陆区,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+5 VSB电源,同时向494的⑿脚提供十几伏至二十余伏的直流电源。494从⑭脚输出+5 V基准电源,锯齿波振荡器也开始起振。若主机尚未开机,PS-ON信号为高电平,经R37使339的B比较器⑥脚亦为高电平;由于R37小于R44,⑥脚电平高于⑦脚,B比较器①脚输出低电平,经D36钳位使A比较器反相端⑷脚为低电平,低于同相端⑸脚,⑵脚输出高电平,再经R41使494的⑷脚为高电平。由此494内部死区时间比较器a输出低电平,与门1输出低电平并进而使与门2、与门3输出低电平,封锁振荡器输出,⑻、⑾脚无脉冲,ATX电源不输出±5 V、±12 V、+3.3 V,主机处于待机状态。

由于+5 V、+12 V输出为零,经R15、R16使494①脚也为零,494的c比较器③脚亦为零,经R48使339⑨脚为零,故339的C比较器⑭脚为零电平。另外339①脚的低电平经D34钳位也使⑭脚为低,再经R50、R63使⑾脚为低,因此D比较器⑬脚(即PW-OK信号)为低电平,主机不工作。

开启主机时,通过人工或遥控操作闭合与PS-ON相关的开关,PS-ON呈低电平,经R37使339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比较器输出电平由⑤脚与④脚决定。正常工作时⑤脚低于④脚,②脚输出低电平,经R41送到494④脚,使其为低电平,锯齿波可从死区比较器a输出;同时锯齿波送往PWM比较器b的同相端,PWM输出脉宽由494①脚电平(反映负载大小)与⑯脚电平决定。PWM输出经缓冲放大后从⑻、⑾脚输出,ATX电源向主机提供±5 V、±12 V、+3.3 V。

该过程因C35充电而有数百毫秒延时。494①脚从+5 V、+12 V经取样电阻R15、R16得到电压,略高于②脚,③脚输出高电平,经R48使339⑨脚为高,电平高于⑧脚,⑭脚输出高电平,经R50与基准+5 V经R64共同对C39充电。约数百毫秒后⑾脚升至高于⑩脚,D比较器⑬脚输出高电平,经R49反馈维持⑾脚高电平,故⑬脚输出稳定的高电平PW-OK信号,主机检测到后开始正常工作。

关机时,主机开关使PS-ON呈高电平,339⑥脚高于⑦脚,①脚输出低电平,经D34钳位⑭脚为低,C39向比较器放电,⑾脚很快转低,⑬脚输出低电平。339①脚为低时经D36使④脚为低,②脚输出高电平,经R41送达494④脚,但因C35电位不能突变,经数百毫秒放电后494④脚才转高,封锁正负脉冲输出,主机进入待机状态。由于C39、C35的放电时间常数不同,C39放电较快,PW-OK信号先于各路电源变为低电平,满足主机关机时序要求。

二、稳压原理
494②脚经R47与基准+5 V相连,维持稳定电压;①脚与取样电阻R15、R16及+5 V、+12 V相连。正常情况下①脚电平与②脚相等或略高。当输出电压上升时①脚高于②脚,c比较器输出误差电压与锯齿波在PWM比较器b中比较,使输出脉宽变窄,输出电压回落;反之脉宽加宽,电压回升。由于494内放大器增益很高,稳压精度较好。据此可得到维修方法:输出电压偏低,可在①脚对地并联电阻或增大R47;输出偏高,则可在②脚对地并联电阻,或增大R33、取消R69、R35降压。

三、过流保护
负载越大,Q3、Q4集电极脉冲电压越高,R13(1.5 kΩ)上电压也越高,由此采样并经D14整流、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494⑯脚。负载加重时⑯脚电平上升,当其超过⑮脚电平时,误差放大器输出的误差电压使调制脉冲变窄,负载电流减小。另外从R56、R58并联电阻获得的分压经R52送到339⑤脚,当⑤脚超过④脚时②脚输出高电平送到494④脚,494停止输出脉冲,终止±5 V、±12 V、+3.3 V输出,实现过流及短路保护。④脚电平高低只改变输出脉宽,不影响④脚电平;而339⑤脚一旦超过④脚,②脚送出高电平封锁494脉冲输出,同时②脚高电平经R59和D39反馈到⑤脚维持其高电平。此时即使过载或短路消失,④脚仍保持高电平,必须切断并重新接通交流市电方可再次开机。

四、过压保护
R17与稳压管Z02并联电路从+5 V采样,经D37送339⑤脚。若+5 V升高,⑤脚随之升高,超过④脚时②脚送出高电平至494④脚,封锁输出实现过压保护。正常时R17压降不大,Z02截止,⑤脚电压较低;+5 V上升使R17压降超过Z02稳压值时Z02导通,+5 V电压全部加到⑤脚,快速封锁494输出。

五、欠压保护
从-5 V的D32及-12 V的R14取样,经R34与D37送到339⑤脚。输出电压过低时-12 V与-5 V的负值减小(即电压值上升),经R34、D37使⑤脚电平上升,②脚送出高电平到494④脚,封锁脉冲输出实现欠压保护。二极管D32导通时压降约0.6~0.7 V,因此-5 V电压的减小量会完全传递到D32负端,提高了欠压保护的灵敏度。

六、电源保护电路故障的检修
各种保护最终都是通过控制339⑤脚电平来控制494④脚电平实现的。正常工作时339⑤脚低于④脚,②脚输出低电平,494④脚约为0.25 V。若⑤脚高于④脚,②脚输出高电平,494④脚变高,电源进入保护状态,终止各路输出。因此若电源整流、滤波、逆变及辅助电源均完好,则应重点检查339④、⑤脚电平:⑤脚高于④脚表明已进入保护。可检查与⑤脚相连各支路另一端的电压是否高于⑤脚,高出者即故障支路,也可逐一断开与⑤脚相连的支路加以定位。

维修实例一:某SLPS-250ATXC电源空载时+5 V输出电压仅+1.8 V,各路依比例下降。检查494④脚为+2.6 V,似处于保护状态,但保护时应各输出为零。将④脚接地后电源立即正常,说明494未损坏,问题在339及其相关电路。用万用表测339各脚电压,当表笔碰触④、⑦脚时各路恢复正常,甚至单条表笔即可使电源恢复——这等于在④或⑦脚加了“天线”,天线接收外来信号后电源工作正常。分析原因是②脚经D1反馈到⑤脚后产生轻微高频寄生振荡;④或⑦脚接天线破坏了振荡条件,使④脚电压升高,超过⑤脚后②脚输出低电平,电源恢复。之后逐一断开与⑤脚相连的支路,断开c支路后电源正常,沿D2向下检查发现+3.3 V滤波电容失效。更换电容后494④脚电压恢复,问题解决。失效原因在于:+3.3 V无滤波时输出直流中含有很强的逆变脉冲成分,经D3、D2送至339⑤脚,使⑤脚高于④脚而进入保护。解决办法是在d支路串入一只47 kΩ电阻,并把R2由3.9 kΩ换成100 kΩ,即可在正常与保护状态下都获得正确输出电压,且不影响过载保护性能。

维修实例二:一台新时代HY-ATX300电源空载正常但不能带负载。检查494⑿脚仅10 V,这是带载能力不足的原因。在辅助电源逆变变压器T3初级加16.5 V高频电压,测得次级+5 VSB线圈3为0.9 V,向494⑿脚供电的线圈4为1.5 V,约为前者的1.7倍。+5 VSB系直接由线圈3整流滤波得到,稳压借助WD431与光电耦合器反馈回逆变三极管。据此算得线圈4应为5×1.7≈8.5 V,因负载较轻经电容滤波后约10 V,说明T3线圈4匝数偏少。拆开T3测得各绕组匝数为:初级2×110匝、反馈绕组10匝、+5 VSB绕组12匝、线圈4为8匝。将线圈4增至20匝,其余不变,重绕后⑿脚电压升至17 V,输出功率可达130 W,故障排除。

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