联想万全T(R)350服务器电源电路工作原理

出处:weimn 发布于:2012-02-13 16:28:01

  联想万全T(R)350服务器的电源为三块亿泰兴(ETASIS)EFRP-300型开关电源,平时两块电源模块即可保证服务器正常工作,男一块作为热备份。电源输出电压分别为:+5VSB、+5v,+12V、+3.3V、-5v和-12V.该型电源具有工作范围宽(交流100V~240V)、工作效率高、完善的保护功能等特点。多台服务器自2005年安装使用以来,逐渐有电源模块出现故障。主要现象为:告警指示灯亮(红色)或微亮甚至完全不亮、负载能力降低或完全无输出电压。经检修20多块眉,发现其大部分故障具有共性。

  该型电源电路主要由抗干扰(EMI)电路、桥式整流滤波电路、功率因数校正(PFC)电路、辅助电源电路、DC/DC变换电路以及过流、电压检测电路、开关机控制等电路组成。其中功率因数校正(PFC)控制电路在插板1(CBl)上,过流检测、电压检测、开关机控制电路以及DC/DC变换的控制电路在插板2(CB2)和插板3(CB3)上。

  图1到图3分别为根据实物绘制的抗干扰(EMI)整流滤波及功率因数校正(PFC)电路、辅助电源电路、DC/DC变换电路的原理图。

  一、抗干扰(EMI)、整流滤波及功率因数校正(PFC)电路电路

  电路见图1.AC220V交流市电经保险丝Fl和由CX1、RIA、RIB、LF1、CX2、THR1组成的共模滤波电路。送到整流桥堆DBD1.该部分电路不仅可抑制从电网输入的各种电磁干扰信号,还可防止电源工作时产生的高频脉冲窜入电网。整流滤波电路由DBD1、D2、C2、C13、D3、C3组成,当输入电压分别为220V和110V的交流电时。1A点(C3两端)的电压值分别为285V和148V。

  图1中的其他部分构成功率因数校正(PFC)电路,其控制器件是Ul(UCC3817AN)。Ll为储能电感,Q1为功率开关管,正常情况下,它工作在开关状态。

  UCC3818AN芯片具有较低的启动电流(典型值150μA)、较低的功率损耗、过,欠电压保护、高乘法器、精密功率限制、宽电压输入范围工作的特性。电路采用固定频率工作方式、平均电流模式PWM型升压变换。在本电路中。Ul的工作频率设计在lOOkHz左右,输出电压的取样从(11)脚输入到U1.Ul内部的逻辑比较控制电路根据这些参数的变化进行比较与运算,确定输出工作脉冲信号的占空比,以维持输出电压(电容C2两端)的稳定。由于其内部的电压误差放大器的同相端为7.5V,因此,当IF点的电位小于7.5V时,它控制输出端脉冲的占空比增大。反之亦然。该电源设计为保持输出电压(电容C2两端)365V.在输出功率不变的的情况下,输入电压降低,(16)脚的输出脉冲的占空比变大;在输入电压不变的情况下,输出功率变小,(16)脚的输出脉冲的占空比变小。反之亦然。当电容C2两端电压的电压小于108V,1G点的电位小于1.9V时,该电位被送到Ul(10)脚,通过内部逻辑电路的控制,关断输出驱动脉冲信号,Ql截止,实现欠电压保护;当电容C2两端电压的电压高于420V.1G点的电位大于8V时,经内部逻辑电路的控制,同样关断输出驱动脉冲信号,01截止,实现过电压保护。在输入交流电的每个半周期里,UI(16)脚的输出脉冲的占空比是变化的,在lVACI的点,输出脉冲的占空比。由于01与D1交替导通,使得桥式整流管的输出电流经电感Ll连续流动,桥式整流管在交流电源电压的每个半周期内导通角接近I800.交流电源的电流与电压保持同相同位(波形为正弦波)。因此系统的功率因数接近于1.UCC3817AN各引脚的功能和在线实测参数见表1(交流220V输入,空载。对地电阻栏左边项为黑表笔接地测量,右边项为红表笔接地测量,万用表为VICTORVC9805A型)。

  二、辅助电源电路

  电路见图2.它以单片开关电源集成电路TOP223Y为,由线性光电耦合器PC817、精密三端稳压器431、开关变压器等主要器件构成。该电源电路除了为服务器提供+5VSB外,还通过CB2-J1.5为DC/DC变换电路提供17V工作电源,通过CB2-J2.6和CB2-J2.7为DC/DC变换电路的电压检测、过流保护等电路提供+5v电源,通过CB3.3为插板3提供19V工作电源。TOP223Y单片开关电源集成电路为美国PI公司研制的第二代产品,它内含脉宽调制控制电路(PWM)、功率开关场效应管(MOSFET)、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿等电路。适应较宽的交流电压和频率范围,在宽电压范围输入时,可适应,85V一265V的交流电,输入频率范围为47Hz440Hz.该集成电路只有三个引脚(源极S、漏极D和控制端C)。其控制端C和漏极D均为多功能引出端。

  其中,控制端有4个作用:利用控制电流IC的大小来调节功率开关管工作占空比:

  为芯片提供正常工作的偏置电流;通过外接旁路电容来决定自动重启的频率:对控制回路进行补偿,.漏极与片内的功率开关管的漏极相连,通过与漏极相连的高压电流源,为芯片提供工作所需要的启动电流:通过与漏极相连的过电流比较电路,实现过流保护功能。源极与散热器相连,接地。

  该电路为单端反激式开关电源,工作频率为IOOkHz.其工作过程是:由抗干扰(EMI)、整流滤波及功率因数校正(PFC)电路产生的输出电压VO(365V)。经高频变压器T2的初级加到单片开关电源集成电路TOP223Y的漏极D,经该集成电路内部电路的控制,使其功率开关管以一定占空比导通工作,高频变压器的次级经D23、D9、D8整流,C31、C7、c5滤波以及相关稳压控制电路的控制分别输出19V、+5VSB、17V电压。当因某种原因导致输出电压上升时。+5VSB经R42、R34、R51、C36组成的分压网络的作用,使得可调型精密稳压器431(ICl)的控制端(D点)的电位升高,引起431(ICl)的输出端(C点)的电位降低。使得光电耦合器中发光二极管的亮度增加,光电耦合器中三极管导通增强,流人单片开关电源集成电路TOP223Y控制端C的电流增大,使TOP223Y内功率开关管的导通占空比下降,使各输出电压降低。反过来,当因某种原因导致输出电压下降时,其控制过程与上述相反。

  在图2所示的电路中。C6(47μF旁路电容)起到了滤除加到控制端上的尖峰脉冲电流的作用,除此之外,它还具有如下功能:一是为门驱动极提供电流。刚启动电路时,由高压电流源为TOP223Y控制端提供工作电流IC并对电容C6充电,当控制端的电压达到5.7V时,高压电流源被关断,脉宽调制器和功率开关管开始工作,此后。lC由反馈电路提供:二是决定自动重启的频率,当C6为47μF时,自动重启的频率为1.2Hz;三是该电容与R17、R18、R40等元件一起对控制环路进行补偿。

  D7(T2D4D)为一快恢复二极管和钳位二极管串联而成的复合管,其作用是吸收因功率开关管关断瞬间高频变压器上产生的反向尖峰电压,保护功率开关管不被击穿损坏,维修时可用UF4005与P6KE200串联代替。06、R53、R56组成欠电压保护电路,当输入的交流电压过低,在上图所示电路中TC点的电位降低到4.2V以下时,06导通。TOP223Y的控制端电压低于4.7V.单片开关电源集成电路TOP223Y停止工作。04、R52、D23构成19V稳压电路。R19、R19A、RIOB、R46以及R49为+5VSB和19V输出端的假负载。正常情况下测得电路中各测试点(见中图)的电压值,如表2所示。

  三、DC/DC变换电路

  电路的主要线路如图3所示。该电路主要是通过控制功率开关管02的丁作脉冲占空比。控制开关变压器T的导通和截止时间,使输出的各组电压保持正确稳定。其控制器件为脉宽调制(PWM)集成电路UC3844,它内部集成了可微调的振荡器(用于控制占空比)。欠压闭锁电路,的参考电压,闭锁工作逻辑,脉宽调制PWM比较器等电路,具有过流、欠压等保护控制功能。工作频率可达500MHz.其功能与UC3842、3843等电路类同,只是其欠压闭锁(UVLO)阈值为16V(on)和10V(off)。输出脉冲占空比范围可从O到50%(UC3842和UC3843的运行占空比可接近100qo)。其①脚是内部误差放大器的输出端,通常与(2)脚之间有反馈网络,确定误差放大器的增益。(2)脚是反馈电压输入端,作为内部误差放大器的反桐输入端,与同相输入端的基准电压(+2.5V)进行比较,产生误差控制电压,控制输出脉冲的宽度。(3)脚为过流检测输入端,当接入的电压高于1V时,禁止(6)脚驱动脉冲的输出。(4)脚为RT/RC定时电阻和电容的公共接人端,用于产生锯齿振荡波,并决定振荡频率。(5)脚为接地端。(6)脚为脉宽可调脉冲输出端。(7)脚为工作电压输入端(16V>Vi≤34V)。(8)脚为内部基准电压(Vref=5v)输出端。

  1.工作原理:由辅助电源产生的17V电压经电阻R1(15Ω)及电容Cl、C2滤波后,加到脉宽调制(PWM)集成电路UC3844的(7)脚,作为其工作电压。功率因数校正(PFC)电路输出的电压VO(365V)经开关变压器T的1-2绕组加到功率开关管Q2的漏极。

  UC3844启动工作后,其(6)脚输出PWM工作脉冲,通过由阻容元件R2、C3、三极管Ql、Q2等器件组成的驱动电路,经R14和二极管Dl0驱动功率开关管Q2工作,这时功率开关管交替工作于饱和导通和截止状态。其工作频率主要由电阻R13以及电容C9决定(在本电路中振荡频率约为lOOkHz)。在工作期间,开关变压器T的1-2绕组有高频脉冲电流流过,由于交流互感的作用,变压器其他绕组也产生不同电压的交流电,其中,3-4绕组经D12整流,CL1以及C16~C18滤波后再经过D16输出+5v电压。5-6绕组经Dll整流,CL1以及Cll滤波再经03以及C12和nl5输出+12V电压,03的导通与否,受过流检测、电压检测、开关机控制电路(CB2-3)的控制。7-8绕组经D13整流。L3、SR1以及C20、C21滤波后再经过D17输出+3.3V电压。-12V与-5v是由3-4绕组经D14整流,CL1以及C22滤波后再经三端稳压器U2(7912)和U3(7905)等电路获得的。上图中。Wl、W2、W3为康铜电阻,它们两端都连接到CB2-3电路,作为过流保护的检测点。3-4绕组的输出经D19、R31及C26整流滤波后,其输出电压(3M点)接到CB2-3电路,通过比较处理后控制光电耦合器PC201内发光二极管的光亮,控制内部三极管的导通程度,来调整UC3844(2)脚的电平,使UC3844(6)脚输出的脉冲信号的占空比发生变化,使功率开关管Q2的导通截止时间发生变化,进而达到使各个输出电压稳定。电路中C19与R26、C30与R21、C14与R23、C25与R47分别为各组电源的尖峰脉冲抑制电路。

  2.功率管的保护:该保护电路由R16、C4及D5组成,它们接在开关变压器T的1-2绕组间。由于功率开关管02交替工作在饱和导通与截止状态间,当功率开关管由饱和导通变为截止状态时,在1-2绕组间会产生瞬间反向尖峰电压,如果没有泄放电路,功率管的漏(D)源(S)极很可能会被击穿。通过该保护电路可将反向尖峰电压释放掉,从而起到保护功率管的作用。

  3、过流、过载保护:该保护电路有三部分。

  部分电路由R15与电阻R4组成。当功率开关管Q2的电流突然增大时,电阻R15非对地端的电压升高,该电压经1.5kΩ电阻r4加到UC3844的(3)脚,当该脚电压高于IV时,内部控制电路控制(6)脚停止输出驱动脉冲,Q2截止。第二部分电路由电压比较器UC及R10、R12、C8、R15、D6、R14、Cl0等外围电路组成,当负载过重使得输出电压下降时,通过过流检测、电压检测、开关机控制(CB2-3)电路的反馈控制必然引起UC3844芯片(1)脚的电压升高。当该脚电压高到使UC(11)脚的电压大干2.5V时,其(13)脚输出高电平,使加到UC3844(3)脚的电平高于lv.UC3844内部控制电路控制(6)脚停止输出驱动脉冲。Q2截止。

  第三部分是由光电耦合器PC201以及过流检测电路组成(这部分电路未画)的,当负载过重导致Wl、W2、W3任意一个两端的电压超过特定值时,过流检测电路使光电耦合器PC201内部的发光二极管亮度增加,使其内部的三极管导通增强,进而抬高UC3844(2)脚的电压,使得(6)脚输出的驱动信号的脉冲占空比降低。

  4.欠电压保护:当PFC输出的电压vo低于210V时,在图1电路中,经R7、R8与R39分压后,TB点(IF点)的电位将低于4.33V.该点电位经lkΩ电阻R18接到本电路UA的(7)脚。由于该比较器的反向输入端(6)脚的电位由Vref(+5V)电压经R19(1.5kΩ)与R20(lOkΩ)分压得到,其电位值为4.33V.这时,比较器UA的(1)脚将输出低电平,经二极管后将UC3844(1)脚的电位拉低到1V以下,经内部逻辑控制电路的控制。UC3844的(6)脚停止输出脉冲驱动信号,功率开关管02截止。

  当输入的交流电压过低(lA点的电位低于108V)时,使得TD(IC)点的电位低于2.5V时,该电位经电阻R22(4.7kΩ)加到电压比较器UB的正向输入端。由于其反向输入端(4)脚电位是2.5V.因此其输出端(2)脚的电位变低,使电压比较器UD的输出端(14)脚输出低电平,将UC3844(1)脚的电位强制拉低到1V以下,UC3844(6)脚停止输出脉冲驱动信号,功率开关管Q2截止。

  5.开/关机控制:开,关机控制电路位于插板2上,其电路原理图如图4所示。开关机控制信号由服务器经金手指插头送到插板2到达该控制电路。从电路看,只有当两个控制信号KZ1和K22均为低电平时,电压比较器UI和U2的输出才能都为高电平,光电耦合器PC202内的三极管才能截止。UC3844的(1)脚不被强制拉低,UC3844才能够正常工作。在维修电源检测工作点时,需将这两个控制信号接地,否则,主电源(DC/DC变换电路)无法工作。

  这两个控制信号的输入点分别位于金手指正面的右边和背面左起第7指。

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