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          電源基礎知識

      (1)概述

      PC電源從80年代初出現,伴隨PC的演變而不斷發展,約有20年的歷史了,它的基本作用就是從供電電網中獲取能量然后轉變為適合PC使用的低壓直流電能,同時完成必要的安全隔離功能。

      PC電源是一種開關電源,采用了PWM方式的開關變換技術,從電網獲取的能量要經過整流、濾波、斬波、降壓、再整流、濾波等轉換過程,并采用負反饋技術使得輸出電壓保持穩定。相比較線性電源具有體積小、效率高的優點。

      在PC電源發展過程中也出現過一些不同的類型和標準,由早期的AT類發展到ATX類,再發展到現在的ATX12V(P4)類,輸出電壓由最初的4組增加到6組。這些演變是與PC逐漸發展起來的多樣化的電源管理功能、多樣化的配置以及PC系統電源總線結構密切相關的。

      電源是PC的一個關鍵部件,不僅在性能上要符合相應的標準和規范,而且它的負載能力、可靠性、以及對主板和外設的適應性和兼容性都對整機系統的可靠、穩定運行有很大的影響。接下來我會從電源應符合的標準與規范、電源可靠性、功率與負載分配以及電源與主板和外設的兼容等方面與大家共同作一些探討。

      (2)電源應符合的標準與規范

      與PC電源相關的標準和規范有很多,它們從不同的角度對電源提出了不同的要求,是電源是否合格的重要判據,在此對它們分成兩類作一簡單介紹:
      一類標準是強制性標準,是電源必須滿足的標準。
      電氣安全方面:GB 4943-2001《信息技術設備(包括電氣事務設備)的安全》(等同IEC 950-1986)。產品不僅要符合該標準的要求,而且還必須能夠獲得權威機構的認可才能夠進行生產和銷售,也就是通常所說的安全認證。產品的安全性是每個國家和地區都非常重視的問題,因為它直接關乎到人的生命安全。國內的安全認證叫做長城認證,由中國電工產品認證委員會(CCEE)專門進行電工產品安全認證和相關的合格認證活動。電磁兼容方面:GB 9254-1998《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》(等同CISPR 22:1997)。該標準主要對產品產生的傳導干擾和輻射干擾提出了限制。其目的就是要求產品在使用時,不能干擾其他設備的正常運行。

      諧波電流方面:GB 17625.1-1998《低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值(設備每相輸入電流≤16A)》(等同IEC 61000-3-2:1995)。該標準是針對產品對電網造成的影響而制定的,這種影響稱為電力污染,諧波電流的問題也是一個越來越受人們重視的問題,歐洲地區已經從2001年起開始強制實施諧波電流限制的標準,國內從1998年就頒布了相應的標準,但尚未強制實施。對諧波電流進行抑制的技術習慣上也叫功率因數校正技術(PFC)。

      所有強制性的標準有合并到一起進行認證的趨勢,已經有相關的文件頒布,將會在2003年實施。實施后認證名稱稱為CCC認證。

      另一類標準是非強制性的標準,也可以叫做推薦標準。
      電磁兼容方面:GB/T 17618-1998《信息技術設備抗擾度限值和測量方法》(等同CISPR 24:1997)。該標準與GB 9254-2001《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》其實是產品電磁兼容性的兩個方面,GB9254著眼于產品發出的干擾,而GB 17618則是產品應具備的抗干擾能力,只有同時滿足這兩方面的要求才算完善的產品,才能保證不同的設備同時使用時不會互相影響。但這兩方面有輕重之分,而干擾相比較抗擾會造成更嚴重的問題,所以GB 9254是強制性標準而GB/T 17618屬于推薦標準。

      綜合性:GB/T 14714-1993《微小型計算機系統設備用開關電源通用技術條件》該標準在國際上并沒有相對應的標準,是我國專門針對計算機電源產品編寫的一份指導性的標準,它的內容涉及產品的性能、環境、制造、檢測、包裝、運輸等等內容。雖然不屬于強制性標準,但它所包含的內容比較全面,有很好的參考價值和指導意義。

      Intel:《ATX/ATX12V Power Supply Design Guide》,《SFX/SFX12V Power Supply Design Guide》。最后要介紹的規范,就是Intel的這兩個電源設計指南,這兩份設計指南雖然不是由國家機構發布的標準,嚴格意義上也不是規范文件,但它卻是目前PC電源領域最重要的產品設計參考,因為Intel在PC領域長期處于絕對的領先地位,成了事實上的行業“領頭羊”和兼容標準。這兩份設計指南中對PC電源作了非常詳盡的描述,從外形結構、接口定義到各個輸入輸出參數的定義和設定,幾乎涵蓋PC電源所有特性。目前全球絕大多數的PC電源都在依據該指南進行設計、測試、和評價。

      (3)電源的可靠性
      電源是在進行能量的處理,其內部器件要承受高電壓、大電流、高功率和熱量損耗,是整機中容易發生故障的一個部件,因此它的可靠性對整機可靠性有非常重要的意義。據統計顯示:引起設備不可靠的原因設計錯誤約占1/3,元器件質量約占1/3,制造、操作和維護約占1/3。其實后兩方面也與設計階段的考慮不周有關。為了取得高可靠性,必須從設計階段就開始考慮可靠性的問題。

      要獲得高的可靠性設計是最重要的,設計中主要從以下幾個角度來處理:
      優選線路。電路設計中盡量多利用標準化的電路或是經過考驗可靠性高的電路,并且應盡量采用成熟的技術。

      電路設計遵循簡化原則。在保證設計功能和指標的前提下盡可能以最簡單的線路和最少量的元器件來實現設計,減少元器件數量的同時也要壓縮品種數可規格。從可靠性角度出發不能為了性能的少許改進而增加大量元器件,要有足夠的容差設計和最壞情況設計。也就是要考慮元器件參數的公差、漂移以及隨環境條件的變化等因素。

      正確選用元器件,并針對元器件工作應力合理進行降額設計。正確選用元器件的類型是首要的,這需要設計者對每種器件的類型有足夠的認識。選定類型后再進行降額設計,降額是指元器件在低于其額定值的應力條件下工作。按照元器件類型和降額曲線分別進行溫度、電壓、功率的降額設計。

      提高可靠性的方法除了進行良好設計外,還可以通過實驗方法進行,其過程是不斷惡化產品的環境條件(電壓、溫度等)直至失效,就可找到最薄弱的環節,然后改進該環節,再繼續惡化環境條件,該方法是比較實用的一種方法。

      可靠性的衡量是失效率或是平均無故障時間MTBF,兩者互為倒數。MTBF可以進行計算或是通過試驗來測定和驗證,國內多采用試驗驗證方法,依據GB/T 5080.7-1986采用定時(定數)截尾試驗方案,進行是否達到預定MTBF的判斷。


      電源性能評判的基本方面

       

      1、技術規格(包括電氣性能、機械性能、安規、電磁兼容、環境等)
      1) 電源技術規格應符合國家強制標準(最好同時符合國家非強制性或推薦性標準)。此標準見第二部分。
      2)電源技術規格應符合或參照Intel制定的行業規范?蓞⒖糏ntel的行業規范(設計指南)

      2、可靠性
      可參見第三部分。主要是元器件的電、熱應力要留有較大的裕量。
      例:
      半導體結溫不超過110℃(環境溫度50℃)
      變壓器、電感溫升不能超出安規的要求
      電容外殼溫度不能超出額定值的95%
      元器件電壓和電流的降額應大于10%
      磁器件在任何電網、負載、起動或瞬態條件下,均不能出現飽和。

      3、兼容性
      兼容性涉及到的問題比較廣泛,一個好的電源產品,不僅應具有良好的技術規格及可靠性,還應有全面的兼容性,即適應各種配件的能力。電源是整個計算機系統所需能量的源頭,因此關系到每一個需要由電源提供能量的部件。

      常見應注意的兼容性設計要點:
      1)電源各路輸出及Remote和PG信號的時序關系
      2)Remote信號和PG信號的防抖動設計
      加入正反饋,延遲翻轉特性及尖峰吸收回路,防止誤動作,保證PG穩定。
      3)電源輸出的穩定度、瞬態特性及保護功能
      例:有些主板會產生不正常的瞬態過流,會造成電源保護或電壓下降。
      4)各電氣參數的溫度穩定性(在各種溫度條件下應工作正常)。
      5)各項性能指標留有裕量(有上限要求)或居中(有上、下限要求)可防止配合上的偏差。


          電源維修常識

      一、故障類型:電源無輸出

      此類為最常見故障,主要表現為電源不工作。在主機確認電源線已連接好(有些有交流開關的電源要打到開狀態)的情況下,開機無反應,顯示器無顯示(顯示器指示燈閃爍)。無輸出故障又分為以下幾種:

      ① +5VSB無輸出
      前面已講到+5VSB在主機電源一接交流電即應有正常5V輸出,并為主板啟動電路供電。因此,+5VSB無輸出,主板啟動電路無法動作,將無法開機。
      此故障制定方法為:將電源從主機中拆下,接好主機電源交流輸入線,用萬用表測量電源輸出到主板的20芯插頭中的紫色線(+5VSB)的電壓,如無輸出電壓則說明+5VSB線路已損壞,需更換電源。對有些帶有待機指示燈的主板,無萬用表時,也可以用指示燈是否亮來判斷+5VSB是否有輸出。此種故障顯示電源內部有器件損壞,保險很可能已熔斷。

      ② +5VSB有輸出,但主電源無輸出
      此種情況待機指示燈亮,但按下開機鍵后無反應,電源風扇不動。此現象顯示保險絲未熔斷,但主電源不工作。故障判定方法為:將電源從主機中拆下,將20芯中綠線(PS ON/OFF)對地短路或接一小電阻對地使其電壓在0.8V以下,此時,電源仍無輸出且風扇無轉動跡象(注:有極少數電源在空載時不工作,此種情況除外),則說明主電源已損壞,需更換電源。

      ③ +5VSB有輸出,但主電源保護
      此類情況也比較多,由于制造工藝或器件早期失效均會造成此現象。此現象和②的區別在于開機時風扇會抖動一下,即電源已有輸出,但由于故障或外界因素而發生保護。為排除因電源負載(主板等)損壞短路或其它因素,可將電源從主機中拆下,將20芯中綠線對地短路,如電源輸出正常,則可能為:
      I. 電源負載損壞導致電源保護,更換損壞的電源負載;
      II. 電源內部異常導致保護,需更換電源;
      III. 電源和負載配合,兼容性不好,導致在某種特定負載下保護,此種情況需做進一步分析。

      ④ 電源正常,但主板未給出開機信號
      此種情況下也表現為電源無輸出,可通過萬用表測量20芯中綠色線對地電壓是否在主機開機后下降到0.8V以下,若未下降或未在0.8V以下,可能導致電源無法開機
      。

      二 故障類型:電源有輸出,但主機不顯示。

      這種情況比較復雜,判定起來也比較困難,但可以從以下幾個方面考慮:
      1) 電源的各路輸出中有一路或多路輸出電壓不正常,可用萬用表測試;
      2) 無P.G信號,即測量20芯線中灰色線是否為高電平,如果為低電平,主機將一直處于復位狀態,無法啟動。
      3) 電源輸出上升沿或時序異常,或和主板兼容性不好,也可導致主機不顯示,但此種情況較復雜,需借助存儲示波器才可分析。

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