電源供應器-搶救電源大作戰-維修DIY

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。扳上電源開關之後,電源測試器都沒有反應,這表示 電源供應器 真的掛了。

掛點的 電源供應器
掛點的 電源供應器

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,我就來看看它裡面到底是怎麼回事,大家就一起來看熱鬧吧。

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
電源供應器 內部電路

咦! 為何有三顆變壓器? 以前課本都畫一顆變壓器,然後就可以開始用了,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60Hz。

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5VSB,也就是Standby待機電源,電源控制IC吃的電源就是5VSB,這樣才能控制其它的12V/5V/3.3V,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,你來看看音響的60Hz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
擴大機內部的變壓器很大

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,於是就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
更換故障的保險絲

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,而且電源供應器又是高溫環境,所以同時目檢了每個電容,果然就讓我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
電容頂端鼓起表示電容老化

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
更換新電容

電源供應器 電路圖

其餘的問題要檢查的話,就一定要有電路圖,如果沒有電路圖,就得自己做反向工程,那實在太累了。還好真的讓我在網路找到資料,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
電源供應器 的電路圖

首先我發現位於大顆主電晶體附近的電路板都有焦黃的痕跡,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之後,電路板所呈現的樣貌如下圖,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
主電晶體附近的電路板成焦黃色

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
故障的主要電晶體

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,於是找到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之後第一個要出現的電源是5VSB,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,雖然他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5VSB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
T3變壓器C8電容故障產生高頻聲

其實交換式電源的工作頻率比人耳能聽到的20KHz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,會南北極切換,所以會有物理震動產生聲波,若頻率落在20KHz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,加上它年紀大了,它就給折斷了,於是我給他換了新電線。

T1變壓器-電源供應器 要角

現在5VSB電壓穩定沒問題,表示T3正常,但是最終的12V與5V還沒出現,表示主變壓器T1仍沒動作,這就表示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30KHz,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
電源IC的電流切換訊號正常

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,看了一下規格還滿能符合目前的狀況,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
使用C2901取代C945

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
C2901的BC腳位對調

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 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電源插上之後,等待所有電壓穩定後,會由Low變成High,而且必須在上電100ms之後才能變High,它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。

於是我還真的拿示波器來測量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故障嗎? 這不就要買IC了? 先不想這一步,先看看有沒有其他可能吧。

電源供應器 控制IC的周圍電路
電源供應器 控制IC的周圍電路

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3.3V、pin4測得5V,所以這兩者都正常,唯獨pin6接近0V沒有12V,而它是唯一一個透過串接電阻接到12V的Sensor腳位。

現在12V sensor腳位嫌疑很大,而電阻的另一端電壓經過測量確實是12V,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12V的串接電阻
替換偵測12V的串接電阻

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300ms,非常完美。那剛換下來的65K ohm電阻有故障嗎? 我量了一下阻值是61K 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
電源供應器 Power Good訊號終於出現

電源風扇-吃電怪獸

現在打開電源之後,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
故障的 電源供應器 風扇

於是我拿了殺肉來的電腦風扇來頂替,只不過對方是三線的接頭,它多了黃色這條線,這是用來讓主機板偵測轉速,但現在用不到了,電路板只接受12V/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
風扇電源接頭更換

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5VSB維持正常,我這殺肉風扇頂多吃個800mA,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
接新風扇之後 電源供應器 異常

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
電源供應器 的主要驅動線路

於是我先把C3拆下來測量容值,容值為1uF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\(I_{c}\)與輸入電流 \(I_{b}\) 是呈現比例關係的,所以 \(I_{b}\)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。

於是我打算測量了R13與D4,正要準備測量R13的時候,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,表示二極體D4也確定陣亡。

用來驅動主電晶體的電阻燒毀
用來驅動主電晶體的電阻燒毀

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,若有負載接上來,輸出電流就無法支應,因而造成電壓下降了。

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,效果都一樣。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
更換驅動電流路徑上的電阻和二極體

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,那真是太好了,到這裡才真的稱為維修成功。

電源供應器 終於正常運作
電源供應器 終於正常運作

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110V/220V交流高壓與12V/5V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必定有一個地線,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,若接上示波器的地線,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

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,並沒有與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,這樣就會造成機殼是110V的危險狀況,我們一定要避免這個情況,請務必留意。

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4 Comments

  1. 你好,我有一個筆記本電腦的電源,空載接電後有正常電壓輸出(20v),但是卻循環於一下正常,一下電壓大幅下降的情況。斷電不管他一段時間之後再接電,有時候卻又能以正常電壓供電幾到十多分鐘, 然後又回到上面故障的情況,不知道是什麼原因呢?

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