Схемотехника и ремонт блоков питания Power Man IP-P350AJ2

Автор не только подробно рассматривает схемотехнические особенности блока питания (БП) "Power Man IP-P350AJ2", используемого в системных блоках современных персональных компьютеров (ПК), но и, что немаловажно, отмечает его недостатки. Кроме того, в статье приведены типовые неисправности этого блока из практики ремонта автора.

БП "PowerMan IP-P350AJ" имеет выходную мощность 350 Вт, что делает возможным применение этого БП в самых современных компьютерах. Однако у этого БП имеется существенный схемотехнический недостаток, который перечеркивает все его достоинства, и переводит его в разряд устройств, приобретать которые честные продавцы не рекомендуют: в качестве основного силового инвертора в блоке питания используется однотактный преобразователь. Это, конечно же, не говорит о том, что БП обязательно выйдет из строя. Но это означает, что в его составе имеется узел, который изначально является "слабым звеном" и может стать причиной неисправности, особенно когда БП работает на пределе мощности.

Принято считать, что областью применения однотактных преобразователей напряжения являются источники питания небольшой мощности (до 150 Вт). До сих пор в схемотехнике системных БП существовало негласное правило, согласно которому блоки мощностью более 180 Вт строились по двухтактной схеме. Инженеры PowerMan решили изменить правило, создали БП большой мощности на основе однотактного преобразователя и, по мнению автора, ошиблись.

Общие сведения

БП "PowerMan IP-P350AJ" выполнен на печатной плате (шасси) InWin IPPxxxAJ.

Он относится к классу источников питания ATX, а поэтому является управляемым, т.е. включение и выключение БП осуществляется внешним управляющим сигналом PS_ON, формируемым системной платой ПК.

Блок формирует постоянные, стабилизированные и гальванически развязанные от сети напряжения +3,3, +5, +12, -12 и -5 В. Когда выходные напряжения находятся в допустимом диапазоне значений, БП формирует сигнал готовности PG (Power Good - питание в норме).

Мониторинг выходных напряжений, запуск БП и формирование сигнала PG осуществляется микросхемой супервизора напряжений типа W7510.

Рис. 1 Общая блоксхема блока питания PowerMan IPP350AJ

Общая блок-схема БП представлена на рис. 1., а его принципиальная электрическая схема - на рис. 2. Схема восстанавливалась автором с печатной платы InWin IPPxxxAJ Rev.1.6. Так как при этом далеко не все элементы доступны и не все маркировочные надписи хорошо различимы, некоторые компоненты обозначены буквами xx, например Rxx.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема блока питания PowerMan IP-P350AJ

Перейдем к рассмотрению отдельных модулей БП.

Описание принципиальной электрической схемы

Входные цепи

Токовая защита первичной части блока питания обеспечивается предохранителем F1 (8А). Ограничение пускового тока осуществляется терморезистором THR1 с отрицательным ТКС (NTC). Он защищает диодный мост от первоначального импульса пускового тока, обусловленного зарядом сглаживающих конденсаторов.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема части заградительного фильтра блока
питания PowerMan IPP350AJ

Сетевой фильтр рассматриваемого БП состоит из двух частей. Первая часть фильтра находится между входным разъемом IN и сетевой кнопкой блока питания SW. Этот фильтр физически размещается на входном разъеме, а не на печатной плате, и образован тремя конденсаторами и резистором. Схема этой части фильтра представлена на рис. 3.

Вторая часть фильтра расположена непосредственно на печатной плате (см. рис. 2). Она состоит из фильтра синфазных помех CX1 LF1 LF2 и фильтра дифференциальных помех LF2 CY1 CY2.

Сетевой выпрямитель представляет собой диодный мост DB1. Сглаживание напряжения, выпрямленного диодным мостом, осуществляется конденсаторами С3 и С8 (680 мкФ х 200 В). Резисторы
R4 и R6 предназначены для разряда конденсаторов C3 и C8 при выключении блока питания, а зене-ровские диоды ZNR1 и ZNR2 выравнивают потенциалы на конденсаторах C3 и C8 и ограничивают полученное постоянное напряжение на уровне около 300 В.

Перемычка SW1 выполняет функцию переключателя номинала входной сети 110/220 В. При замыкании этого переключателя реализуется схема удвоения напряжения, т.е. перемычка должна быть замкнутой при подключении к сети 110 В. Источник питания дежурного режима

Дежурный источник питания формирует два питающих напряжения:

- напряжение дежурного режима +5 В (+5V_SB);

- напряжение питания микросхемы ШИМ контроллера основного преобразователя GM3843 (U1).

Он представляет собой однотакт-ный преобразователь, управляемый ШИМ регулятором со встроенным силовым ключом U4 типа ICE2A0565Z фирмы Infineon. Микросхема входит в состав семейства микросхем CoolSetTM-F2. Внутренний силовой транзистор представляет собой CoolMOS-транзистор, сток которого соединен с выв. 5
(D), а исток - с выв. 3 (IS). Назначение выводов микросхемы ICE2A0565Z приведено в таблице 1.

Внутренний CoolMOS-транзистор переключается с частотой около 100 кГц и создает импульсный ток в первичной обмотке 6-4 импульсного трансформатора T2. В результате, во всех вторичных обмотках T2 наводится ЭДС, используемая для получения следующих питающих напряжений:

- с помощью выпрямителя D16 C7 C32 формируется напряжение питания самой микросхемы ICE2A0565Z, а также питающее напряжение и для микросхемы GM3843 (U1);

- с помощью выпрямителя D17 C33 С34 формируется дежурное напряжение +5 В (+5V_SB).

Запуск микросхемы ICE2A0565Z обеспечивается с помощью пусковой цепи R52 R60. Стабилизация выходных напряжений дежурного источника осуществляется за счет обратной связи. Сигнал обратной связи снимается с канала напряжения +5V_SB и через резистивный делитель R57 R70 поступает на регулируемый стабилизатор KA431 (U5). Этот стабилизатор регулирует ток через светодиод оптрона PC3 - изменяет его в соответствии с величиной выходных напряжений. В результате фототранзистор оптрона PC3 изменяет напряжение на входе обратной связи микросхемы U4 - выв. 2.

Таблица 1.      Назначение выводов микросхемы ICE2A0565Z

Схема запуска основного преобразователя

Запуск основного преобразователя обеспечивается подачей питающего напряжения на выв. 7 (VCC) микросхемы U1 через ключ на транзисторе Q1. В момент, когда основной преобразователь должен запуститься, системной платой устанавливается в низкий уровень сигнал PS_ON, который анализируется микросхемой супервизора W7510 (U3). При низком уровне PS_ON супервизор устанавливает на выв. 3 (FPL) также низкий уровень. В результате через светодиод оптрона РС1 начинает протекать ток, и фототранзистор оптрона открывается, что приводит также к открыванию транзистора Q1. Через транзистор на микросхему GM3843 подается питающее напряжение, формируемое выпрямителем D16 С7 С32 из импульсов обмотки 3-5 трансформатора Т2. Величина питающего напряжения микросхемы ограничивается стабилитроном ZD2.

Основной преобразователь

Он обеспечивает формирование всех выходных напряжений блока питания (+5, -5, +12, -12 и +3,3 В) и реализован по схеме однотактного источника с управляющим ШИМ контроллером типа GM3843 (U1).

После запуска микросхемы GM3843 на ее выв. 8 (VREF) формируется опорное напряжение +5 В, которое используется в следующих целях:

- для питания фототранзистора оптрона обратной связи (РС2);

- для обеспечения плавного запуска преобразователя;

- для питания частотозадающей цепи.

Частота работы микросхемы, а, соответственно, и преобразователя, определяется номиналами внешних элементов генератора пилообразного напряжения(ГПН) микросхемы - резистора R18 и конденсаторов С20, С21. Частота ГПН (выв. 4 U1 (СТ)) определяет частоту импульсов на выходе микросхемы.
Плавный запуск преобразователя обеспечивается конденсатором С25, который, заряжаясь от опорного источника 5 В, плавно изменяет длительность выходных импульсов микросхемы от минимальной в момент запуска, до номинальной через определенный период времени. Когда конденсатор С25 разряжен, он шунтирует выв. 1 (СОМР) микросхемы GM3843 на "землю" через диод D12. Это приводит к тому, что длительность выходных импульсов микросхемы становится минимальной. После заряда конденсатора С25 диод D12 закрывается, и рассматриваемая цепь отключается, не оказывая больше влияния на работу GM3843.

На выходе микросхемы OUT (выв.6) формируются импульсы, управляющие силовым транзистором Q2. Токовая защита транзистора Q2 осуществляется через выв. 3 U1 (IS). На нем формируются импульсы напряжения, амплитуда которых пропорциональна величине тока транзистора. Напряжение токовой защиты снимается с токового датчика - резистора R2.

Сигнал обратной связи, позволяющий регулировать длительность выходных импульсов микросхемы, подается на выв. 2 (FB). Сигнал формируется оптроном РС2. Ток светодиода РС2 регулируется прецизионным стабилизатором KIA431 (U6), который, в свою очередь, управляется выходными напряжениями блока питания +5 и +12 В. Эти напряжения подаются на управляющий вход KIA431 через делитель R55 R58 R68 VR1. Величину сигнала обратной связи, а, значит, и величину выходных напряжений блока питания можно регулировать переменным резистором VR1. Величина напряжений остальных каналов цепью обратной связи напрямую не контролируется. Однако необходимо иметь в виду, что величина напряжений каналов +5 и +12 В изменяется при изменении тока во всех каналах, подключенных к дросселю групповой стабилизации (т.е. в каналах -5 и -12 В).

Силовой ключевой транзистор основного преобразователя 02 (W12NK90Z) фирмы

Рис. 4. Архитектура транзистора W12NK90Z

STMicroelectronics представляет собой N-канальный MOSFET-транзистор с зенеровской защитой и производится по технологии SuperMESH. Транзистор отличается очень высоким значением крутизны, минимальной внутренней емкостью, малым сопротивлением канала и минимальной энергией заряда затвора. Основные характеристики транзистора приведены в табл. 2, а его эквивалентная схема - на рис. 4. В случае пробоя транзистора необходимо очень внимательно подойти к вопросу подбора его аналогов, т.к. существует немного транзисторов с подобными характеристиками, и способных работать в данном БП. Поэтому настоятельно рекомендуем при замене использовать транзисторы именно этого типа. Вторичные выходные выпрямители

Выходные выпрямители обеспечивают выпрямление и сглаживание импульсных напряжений вторичных обмоток трансформатора Т1. Они построены по однополупериодной схеме.

Для получения напряжения + 12 В используется диодная сборка из двух диодов D5 и фильтр, образованный катушкой дросселя групповой стабилизации L1, дросселем L2 и конденсаторами СЮ, С11.

Для получения напряжения +5 В используется диодная сборка D7 (диоды Шоттки) и фильтр, образованный катушкой дросселя групповой стабилизации L1, дросселем L3 и двумя конденсаторами С17 и С18.

Для получения напряжения +3,3 В используется диодная сборка D9 (диоды Шоттки) и фильтр, образованный дросселями L5,L6 и конденсаторами С22, С23.

Таблица 2. Основные характеристики транзистора W12NK90Z

 Для регулировки и стабилизации напряжения +3,3 В, а также для повышения устойчивости этого источника при переходных процессах служит линейный стабилизатор на элементах Q3, U2. Величина напряжения стабилизации стабилизатора задается резистивным делителем R28, R34, R37. Стабилизатор управляется еще и сигналом +3.3V_SEN, который используется в качестве сигнала обратной связи. С его помощью измеряется величина напряжения +3,3 В непосредственно на системной плате, а не на выходе блока питания, что позволяет учитывать падение напряжения на проводах блока питания.

Рассматриваемый блок питания отличается очень интересным решением по формированию отрицательных напряжений -5 и -12 В. Для этих напряжений не предусмотрено отдельных вторичных обмоток на силовом импульсном трансформаторе Т1. Энергию для формирования отрицательных напряжений получают за счет взаимной ЭДС, наводимой в катушках дросселя групповой стабилизации L1, который в данном случае можно рассматривать в качестве трансформатора. Импульсный ток, протекающий в катушках дросселя групповой стабилизации каналов +5/+12 В, наводит ЭДС и в катушках, соответствующих каналам -5/-12 В. Это импульсное напряжение далее выпрямляется диодами D2, D4 и сглаживается электролитическими конденсаторами Схх (прочитать их маркировку не удалось).

Схема управления вентилятором

К каналу +12 В, подключен вытяжной охлаждающий вентилятор. Разъем для его подключения на схеме обозначается FAN. Величина тока вентилятора, а, значит, и скорость его вращения зависит от температуры радиатора диодов вторичных выпрямителей. Температура радиатора контролируется датчиком температуры, закрепленным непосредственно на радиаторе. В качестве датчика используется терморезистор THR2 с отрицательным ТКС. Чем выше температура радиатора, тем меньше сопротивление THR2. Это приводит к снижению потенциала на базе транзистора Q5, он открывается и открывает транзистор Q4. В результате величина напряжения, прикладываемого к разъему FAN, увеличивается, и вентилятор начинает вращаться быстрее.

Супервизор напряжений

В рассматриваемом блоке питания используется микросхема супервизора напряжений W7510 (U3). Эта микросхема выполняется следующие функции:

- анализирует величину напряжений каналов +3,3, +5 и +12 В и, в случае их стабильности, формирует сигнал Power GOOD высокого уровня;

- анализирует уровень сигнала PS-ON. Если этот сигнал высокого уровня, то микросхема выключает основной преобразователь. Если же PS-ON устанавливается в низкий уровень,то микросхема обеспечивает запуск основного преобразователя блока питания;

- анализирует наличие импульсов на выходе силового импульсного трансформатора Т1 для обеспечения упреждающего отключения сигнала PG при пропадании питающего напряжения. Для этих целей у супервизора служит выв. 1 (PGI). Когда на вторичных обмотках Т1 имеются импульсы, они выпрямляются диодом D14 и сглаживаются конденсаторами С35, С36. В результате на входе PGI устанавливается "условно высокий уровень" (примерно1,1 ...1,2 В). Это означает, что основной преобразователь нормально функционирует.

При остановке преобразователя импульсы в обмотках Т1 пропадают. Так как в основных каналах установлены конденсаторы большой емкости, выходные напряжения +5, +12, -5 и -12 В в течение долгого времени продолжают удерживаться в допустимых пределах. А вот в канале формирования сигнала PGI установлены конденсаторы малой емкости и поэтому они разряжаются очень быстро. В результате устанавливается низкий уровень сигнала PGI еще до того, как напряжения в каналах +3,3, +5 и +12 В упадут ниже заданных порогов.

С помощью супервизора W7510 осуществляется еще и контроль короткого замыкания в каналах -5 и -12 В, только делается это через вход контроля напряжения в канале +3,3 В. В случае пропадания напряжений -5 и -12 В, например, в результате короткого замыкания, открывается транзистор Q6, что приводит к шунтированию на "землю" выв. 5 микросхемы супервизора. Через этот вывод контролируется напряжение +3,3 В и просадка напряжения на нем воспринимается как увеличение тока (или короткое замыкание) в канале +3,3 В, т.е. как аварийная ситуация, приводящая к выключению основного преобразователя. Транзистор Q6 управляется напряжением, получаемым с помощью резистивного сумматора R62 R67 R66. Этим сумматором складываются напряжения каналов +5, -5 и -12 В. Номиналы резисторов подобраны таким образом,что в средней точке резисторов R62 и R67 создается небольшое отрицательное смещение (но близкое к нулю), которое приводит к запиранию диода D20 и закрытому состоянию транзистора Q6. Другими словами, отрицательное напряжение уменьшается на величину положительного напряжения канала +5 В. В случае возникновения короткого замыкания в любом из каналов отрицательных напряжений в средней точке появляется положительное напряжение,создаваемое резистором R62, т.е. из напряжения канала +5 В теперь не вычитается отрицательное напряжение.

Для лучшего понимания принципов функционирование микросхемы супервизора, в таблице 3 приводится описание назначения ее выводов.

Таблица 3. Назначение выводов супервизора W7510

Типовые неисправности блока питания "PowerMan IP-P350AJ"

Описание БП был бы неполным, если бы не были упомянуты неисправности и те проблемы, которые являются для данного БП наиболее типовыми и встречаются чаще всего. В таблице 4 приведены только те неисправности, с которыми автору реально приходилось сталкиваться в своей практике ремонта.    

Таблица 4. Типовые неисправности блока питания "PowerMan IP-P350AJ"

Автор: Алексей Конягин (г. Пенза)