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【實作實驗室】搶救電源大作戰,電源供應器維修全紀錄

   

作者:實作派

今天有一台電腦突然罷工,無論電源開關怎麼扳,整台就是完全靜悄悄,於是我拿出電源測試器插上看看,如下圖,扳上電源開關後,電源測試器都沒有反應,這表示電源供應器真的掛了。

本來這種低價的電源供應器並不值得修,但阿信助教本著一股好奇心,想來看看它裡面到底是怎麼回事,大家一起來看熱鬧吧。

電源供應器內部電路

拆開之後裡面的電路如下圖,左邊有兩個超大的電容,用來形成高壓直流,中間有三顆變壓器,右邊則是很多功率二極體作為輸出之用。

電源供應器內部電路(圖片來源:實作派提供)

咦!為何有三顆變壓器?以前課本都畫一顆變壓器,就可以開始用了,Why?因為現在電腦都是交換式電源(Switching Mode Power Supply),它利用電晶體不斷的 ON/OFF 製造高頻電流,讓變壓器工作在幾十 KHz 甚至幾百 KHz 的高頻率,所以電流頻率不再是原始電源的 60 Hz。

上方最大的變壓器是主變壓器 T1,它需要中間的變壓器 T2 來推動電晶體,而下方的變壓器則是只供應 5 VSB,也就是 Standby 待機電源,電源控制 IC 吃的電源就是 5 VSB,這樣才能控制其它的 12 V/5 V/3.3 V,所以這樣就是三顆變壓器。

使用交換式電源的好處,就是變壓器體積可以做很小,你看看音響的 60 Hz 變壓器如下圖,這是我以前修理的擴大機內部,白色的方塊就是變壓器,大約手張開這麼大,你就知道體積差很多了。

擴大機內部的變壓器很大(圖片來源:實作派提供)

檢查保險絲/電容

既然主機板上電後靜悄悄,當然就先檢查保險絲是否燒斷,用電表一量發現電阻無窮大,表示保險絲果然燒斷,於是我給它換上相同規格的保險絲,但這樣並不算修好,因為電源供應器是高溫高壓環境,我們必須要謹慎應對,其它元件也要巡一下才好。

更換故障的保險絲(圖片來源:實作派提供)

根據我修理主機板的經驗,年代久遠的電路板,爆電容是很常見的,加上電源供應器又是高溫環境,因此我同時目檢了每個電容,果然就找到好幾顆頭頂鼓起的電容,下圖這三顆藍色的柱狀電解電容最具代表性。

電容頂端鼓起表示電容老化(圖片來源:實作派提供)

還好平常有燒香,馬上跟同學調了幾顆電容來頂著用,他只有固態電容這種高級貨,換上去之後如下圖。

更換新電容(圖片來源:實作派提供)

電源供應器電路圖

要檢查其餘問題的話,一定要有電路圖,如果沒有電路圖,就得自己做反向工程,還好我在網路找到資料,而且電路竟然還有 95% 和我手上這個相似。它是一個捷克的網站,裡面收錄了各種電源供應器的電路 AT and ATX PC computer supplies schematics(有電路圖之後才方便找問題,所以我後面的說明,包括元件編號,都會以下方這張電路圖做基準)。

電源供應器的電路圖(圖片來源:實作派提供)

首先我發現位於大顆主電晶體附近的電路板有焦黃的痕跡,因此推測主電晶體 Q1、Q2 應該燒壞了,這兩顆是用來 ON/OFF 主變壓器 T1 一次側的電流用的,而 Q3 是給待機電源的變壓器 T3 一次測使用。我把這三顆電晶體拔起來後,電路板呈現的樣貌如下圖,你看這顏色,我想這三顆應該是凶多吉少。

主電晶體附近的電路板成焦黃色(圖片來源:實作派提供)

但如果 Q1、Q2 要換,我基本上會連 Q3 也一起換,因為這三顆都排在一起,而且還鎖在散熱片上如下圖,我覺得它們一起掛點的機會頗高,所以我不做各別檢查了,直接一次換完比較省事。

故障的主要電晶體(圖片來源:實作派提供)

雖然功率電晶體的標式很清楚,分別是 D13007 和 DFF2N60,但看得到 Marking 是一回事,買不買得到又是另外一回事,這種古董機種基本上很難買到零件,所以這時候就得發揮電子專長,尋找坊間是否有規格相符的代用零件。我花了點時間比對規格,找到了 2SC4055 來代替主電晶體、IRF840 來代替待機電晶體,至於原本換下來的舊電晶體,我好奇用電表測試了一下,果然三顆全部掛點。

恐怖的高頻聲

換上新的電晶體後,理論上電源供應器應該要正常運作才對,於是就上電測試看看,但電源一開就馬上聽到從電路板傳來類似汽車剎車的高頻聲,但電源測試器一樣沒反應,表示無電壓輸出,我當下有些害怕,趕快把電源關掉。

回頭來找原因,整個電源供應器上電後第一個要出現的電源是 5 VSB,SB 是 Standby 的意思,這路電源是由 T3 變壓器提供給電源控制 IC,電源 IC 才能去啟動 T2 變壓器,T2 才能觸發 T1 變壓器讓其餘的電壓出現。

T3 變壓器的切換頻率,是靠 C8 這顆電容與周圍的元件形成振盪器,用來提供 T3 的 ON/OFF 工作頻率,所以既然有高頻聲,我當然是第一個懷疑 C8 電容,雖然它看起來很小很靠譜如下圖,但電容不可貌相,只有它嫌疑最大。換上新電容之後,高頻聲立馬消失,而且 5 VSB 也很穩定,但其餘的電源仍然是罷工的狀態,所以真的是電容的問題。

T3 變壓器 C8 電容故障產生高頻聲(圖片來源:實作派提供)

其實交換式電源的工作頻率比人耳能聽到的 20 KHz 還要高,所以我們聽到的故障高頻聲,其實對電源供應器來說算是低頻,而這個聲音來自變壓器的線圈震盪,因為變壓器的線圈在交流電經過的時候,會產生磁力,南北極切換,所以會有物理震動產生聲波,如果頻率落在 20 KHz 以下,我們就會覺得很刺耳。

另外你可能有發現 C8 箭頭旁邊的電源火線與中性線被我換成黑色電線,那是因為在維修過程中,我需要把電路板翻來翻去,由於它年紀大了,它就在過程中被折斷了,於是我給它換了新電線。

T1 變壓器:電源供應器要角

現在 5 VSB 電壓穩定沒問題,表示 T3 正常,但是最終的 12 V 與 5 V 還沒出現,表示主變壓器 T1 仍沒動作,這就說明剛才新換上的電晶體 Q1、Q2 尚未驅動到 T1,所以我們要繼續往前級追。由於主電晶體 Q1、Q2 本身也需要驅動電流,這是由變壓器 T2 所驅動,所以現在就要來看看 T2 到底有沒有正常動作。

T2 變壓器本身是由兩顆小型的電晶體 Q5、Q6 所驅動,因為電源控制 IC 無法直接驅動主電晶體 Q1、Q2 ,只能透過多一層電晶體一路驅動上去。這跟大型馬達不能直接接無熔絲斷電器 NFB 一樣,它們必須透過接觸器 Contactor 才能安全啟動,雖然應用不同但原理相同。

為了確定 Q5、Q6 電晶體的運作正常,先來測量一下這兩顆電晶體的基極 B 腳輸入端是否有波形?測量之後發現,電源控制 IC 有正確發送切換訊號如下圖,頻率大約是 30 KHz,所以電晶體有輸入卻沒輸出,這樣的話就表示 Q5、Q6 這兩顆小電晶體應該是故障了。

電源 IC 的電流切換訊號正常(圖片來源:實作派提供)

T2 變壓器驅動線路

T2 變壓器的驅動電晶體 C945 是很常見的零件,但我手邊沒有,只好想辦法弄個類似的。我手邊有的電晶體是 C2901,看了一下規格還蠻能符合目前的狀況,所以就選它了,唯一的問題是它的腳位和 C945 不同,請看下圖就知道了,兩者的 B 與 C 腳位剛好對調,不能直接插上電路板。

使用 C2901 取代 C945(圖片來源:實作派提供)

山不轉路轉,這時就要發揮匠人本色,讓這電晶體的兩個接腳對調一下位置,然後再取代 Q5、Q6 電晶體,我想這樣應該就可以了吧。

C2901 的 BC 腳位對調(圖片來源:實作派提供)

上電之後電源供應器果然運轉了,這真是太棒了,連我自己都佩服自己了,但這只是表象而已,我們繼續看下去。

PG 訊號 :顯示電源供應器狀態

電源供應器有條特別的電線,它是訊號線,叫做 PG(Power good),它會在 AC 電源插上,等待所有電壓穩定後,由 Low 變成 High,而且必須在上電 100 ms 之後才能變 High,主要用來通知主機板電源已經穩定了。雖然 Power supply 有電壓輸出,但是電源測試器顯示的 PG time 一直是零,這樣仍然不算修好。

於是我拿示波器來測量 PG 訊號,果然真的都靜悄悄,這該怎麼辦好?我們來看一下線路如下圖,PG 訊號直接從電源 IC 出來,由於 IC pin9 是開汲極,需要 Pull High 電阻也就是 R46,經過量測阻值是正常的,難道 IC 故障,要買 IC 了?先不想這一步,先看看有沒有其他可能。

電源供應器控制 IC 的周圍電路(圖片來源:實作派提供)(圖片來源:實作派提供)

由於 PG 訊號的成立條件是所有電壓都穩定之後才會變 High,根據因果關係來論的話,應該要先看看每個輸入電壓是否都有進到 IC 腳位上,因此我開始測量 IC 腳位上每個 Voltage sensor 的輸入電壓:pin3 測得 3.3 V、pin4 測得 5 V,所以這兩者都正常,唯獨 pin6 接近 0 V 沒有 12 V,而它是唯一一個透過串接電阻接到 12 V 的 Sensor 腳位。

現在 12 V sensor 腳位嫌疑很大,而電阻的另一端電壓經過測量確實是 12 V,所以串接電阻應該是壞了,我打算把這個電阻換掉。雖然電路的串接電阻是 1K ohm,但板子上實際看到的電阻是 65K ohm,為了平衡忠於原著與現實考量,我用了 33K ohm 電阻(這是我手邊能找到的最接近的電阻),先焊在背後試看看。

替換偵測 12 V 的串接電阻(圖片來源:實作派提供)

串接電阻換掉馬上開電,果然電源測試器上的 PG time 就出現了 300 ms,非常完美。那剛換下來的 65 K ohm 電阻有故障嗎?我量了一下阻值是 61 K ohm,看起來也還好,但不知為何之前就是不能用,我也沒在焊回去試看看。

電源供應器 Power Good 訊號終於出現(圖片來源:實作派提供)

電源風扇是吃電怪獸

打開電源之後,看著電源測試器出現各種穩定的數字,自己很是得意,心想等一下該是把所有東西都裝回去的時候了,於是把風扇拿來裝,才發現風扇不轉了。

故障的電源供應器風扇(圖片來源:實作派提供)

於是我拿了殺肉來的電腦風扇來頂替,只不過它是三線的接頭,多了黃色這條線(主要用來讓主機板偵測轉速),但現在用不到,且電路板只接受 12 V/GND,所以我把腳位排列改成電路板需要的樣子,黃色就讓它空接,如下圖中央的接頭。

風扇電源接頭更換(圖片來源:實作派提供)

電源打開之後,風扇是轉起來了,但接下來的景象讓我有點傻了,所有的電源電壓全部往下掉,只有 5 VSB 維持正常,我這殺肉風扇頂多吃個 800 mA,不至於讓電源容量不夠吧,這下讓我頭很大。

接新風扇之後,電源供應器異常(圖片來源:實作派提供)

T1 變壓器的二次側基本上不會有容量的問題,如果是全部的電壓都往下掉,應該是 T1 一次側的輸入電流不夠大造成的,而掌控這個電流的元件,主要就是 C3、Q1、Q2,因為它們都是輸入電流路徑上的元件。

電源供應器的主要驅動線路(圖片來源:實作派提供)

於是我先把 C3 拆下來測量容值,容值為 1 uF,所以完全沒問題,但 Q1、Q2 又是新的,那到底會是哪裡有問題呢?我突然想到 Q1、Q2 是 NPN 電晶體,這種電晶體的輸出電流 Ic 與輸入電流 Ib 是呈現比例關係的,所以 Ib 小的話,應該會造成輸出電流也跟著小,或許來檢查一下與 B 極相接的元件,就能知道答案。

於是我打算測量 R13 與 D4,而在正要準備測量 R13 時,才發現原來 R13 已經燒黑了,之前竟然漏掉沒發現,根本是炭烤電阻,如下圖,實際測量後發現 R13 阻值是無窮大呈開路狀態,所以確定陣亡;二極體 D4 的部分,也是呈現開路是沒有電壓的狀態,二極體 D4 也確定陣亡。

用來驅動主電晶體的電阻燒毀(圖片來源:實作派提供)

既然驅動路徑元件燒毀,為何之前還能讓電源供應器運作呢?因為還有另一個電流路徑,也就是電容 C6,交流電能通過電容耦合到另一端到達 T1,但電流量不高,在空載的狀況下,還能勉強支應電源供應器運作,如果有負載接上來,輸出電流就無法支應,因而造成電壓下降。

所以我拿了新的電阻與二極體來替換,但我只有 SMD 0805 尺寸的電阻,所以要用兩個並聯湊出需要的瓦數(畢竟這是電源供應器,瓦數一定要注意),只是這些零件都在散熱片正下方,我只好焊在電路板背面,效果其實一樣,而既然要換就 Q1、Q2 的驅動元件都一起換,所以我換了兩組。

更換驅動電流路徑上的電阻和二極體(圖片來源:實作派提供)

目前為止換的零件幾乎都是重要元件,表示這台電源供應器早就死透了,這次算是我硬要修好它,它才有復活的機會,既然頭都洗下去了,上電後好歹也要動起來吧!還好它很賞臉,電源開關打開之後,電壓正常,PG 訊號時間也有了,真是太好了,這樣終於能稱得上維修成功了。

電源供應器終於正常運作(圖片來源:實作派提供)

注意事項:高壓測量不要用示波器

電源供應器的電路板上同時有 110 V/220 V 交流高壓與 12 V/5 V 等直流低壓,測量交流高壓時,請使用電錶測量,不要使用示波器,因為示波器的輸入端有一個地線,而 AC 電路接入的火線或中性線,可能從牆壁插座就已經接反了,所以高壓電路標示的中性線實際上可能是火線,如果接上示波器的地線,就會發生短路爆炸。細節請參考這篇 探棒接地 示波器 GND 竟然冒火花-你以為的地不是地

因此只有在測量直流低壓時,才可使用示波器測量,因為電源供應器的外殼接地是與這些低壓直流共地,並不是和高壓電路的中性線共地。這是因為住宅牆壁插座的火線與中性線經常有人會配反,如果火線中性線配反,加上電源內部的中性線與外殼共地相接,就會造成機殼是 110 V 的危險狀況,請務必留意一定要避免這個情況。

(本文經同意轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

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Author: StrongPiLab

實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。

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