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[开关电源]

【人艰照拆】+拆解“黑匣子”《农行ATM电源适配器》剖析

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本帖最后由 晓默儿 于 2016-9-20 21:10 编辑

这是公司的招标银行系统里的ATM适配器,不知道结果咋样,现在报废了一批,捡了一个,准备看看里面都是些啥高大上的玩意,
刚好碰上拆机活动,本人也乐得顺手就是一发。貌似还是本人的首贴啊,一晃都注册三年了,潜水党哈哈

闲话少说,看看“黑匣子”是不是黑不溜秋的。
先来张正面图
黑匣子其貌不扬,外面就一个LED指示灯
  

再看看底部铭牌
输出12.6V,10A,算是低压大电流吧。

说起拆卸,银行的东西就是牛哄哄,用的螺丝都是非常规的

拆卸老费劲了
   

外壳螺丝是五角星形的,这还不算,中间还多了跟针脚,万用螺丝盒都没有配套的。
只好拿了剪刀,剪钳,尖嘴钳来对付。
  

看看这变态螺丝,人艰不拆啊

费了一番功夫,总算拆开了,希望里面有点干货,不然就白拆了啊
打开盖子,看到了里面……

再看底部
PS:白色的是铝片,应该是做散热,整个电源工作环境是密闭的
       黄色的是铜箔,应该是做屏蔽,改善EMI
本以为拆开外壳就能看到真面目,没想到还蒙着一层面纱,待我撕开你的神秘面纱,
来个抽丝剥茧
拿掉散热片,拆下屏蔽层,让我们来看看它的内在吧


再看看底部

图片展示就到这里,剩下的就是拿出专业功底,看看设计人是怎么想的了,不知不觉就变成了
抄板了,要说抄板我觉得这是逆向思维,抄板的过程简直就是对自身经验和专业度的一个检验了。
为了抄这块板,也花了不少时间,鄙人还是所学尚浅,约莫着搞了一个星期(PS:都是晚上加班搞的,还是兴趣最重要啊)

原理分析:
先上图


先做完EMI+整流滤波电路的分析,再对系统SPS作重建,这样就不会显得无从下手了
再根据主电路的走势,把它切割开来,逐块分析,最终完整的电路原理就会出现在
脑海里了。剩下的无非是根据抄板所得去验证各个点,当然少不了的要查阅Datasheet
先出手稿图
   

继续扒:
先查查底层的几个芯片背景
这里共5款贴片IC,分别编号1~5,顶层还有一个插件0号(没见过)类的
0号:STIL04:电源控制芯片
1号:L6561:前级Boost升压芯片
2号:UC3845:LLC控制芯片
3号:IR2184:双驱动隔离输出
4号:DAS001:输出电压反馈
5号:LM358:输出过流保护
先看看EMI+整流滤波电路:
对于EMI,我只知道是开关电源里必不可少的一部分,隶属于电磁干扰这一块
然而其微妙之处真不是一两年就能拿下的,专业的还有EMI工程师勒,对于这我只能
作一个定性分析。
输入市电中含有共模干扰信号,L1,L2作为共模滤波电感,对共模信号有很大的阻抗,
而对L,N流动的信号则几乎没有阻碍(非要有的话就要考虑漏感和铜损了),因此共模
信号只能通过R6,R7流向大地,以此达到消除电路输入的共模干扰。
因此共模信号的滤波电路通常都呈对称形式。
整流后经过NTC1(用来防浪涌冲击)后再滤波就得到了脉动直流信号。
大部分电源前面基本都有这块电路,比较简单。

接下来看看系统的前级电源管理

查了下Datasheet,只能看出STIL04作为电源管理芯片,别的不知道它想干什么

整流滤波后的脉动直流还有一路就是立即送入了系统电源,这样才能第一时间启动系统供电。
它的SPS还单独采用了一块小板,细致分析了下,采用早期广为流传的RCC自激式开关电源
   

犹记得当年最开始接触的就是RCC式电源,可是那时苦于自身知识体系不完善,找了好多群问大神,都得不到
满意的答复,随着时间慢慢流走,但一直没忘记这根刺,借用一句电影台词:念念不忘,必有回响。后来把模电
重新翻了几遍,并偶然间看到一篇关于RCC的论文,那一瞬间竟有点悲喜交加的感觉,过了这么久还记得当时是
多么的兴奋,说多了
这里的RCC输出两路隔离电源,一路(有线性稳压)供给一次侧控制芯片,一路供给输出采样芯片
RCC最大的优势在于元件用量少,在早起电视电源,手机充电器大量用到,在这里提供系统电源,功率不大最合适不过了
Q12作为主开关管(通常是中大功率三极管),Q13则作为过流保护和过压保护的关键元件。

介绍完这两块,接着就进入主电路部分,前级boost升压
在预先升压前,上电整流就立即经D13直接对BUS电容冲击,使得BUS初始电压就保留在311V左右,减轻了boost的压力
boost主电路拓扑结构简单可靠,通过对开关管电流和BUS电压采样,送入升压控制电路,构成了双闭环控制。稳定可靠。
其中FB直接送入升压芯片引脚。
接触开关芯片久了,就对一些参考电压有敏感了,我当时就猜测该引脚应该是2.5V的(再低的话就是1.25V),然后量了下
读了下采样电阻的阻值,按2.5V参考那么BUS就应该是393V,看了BUS电容规格450V的,那就差不多了,设计者当时设计的BUS
电压点应该是400V。

再来看看Boost控制电路

阅读该芯的Datasheet可以看出设计者基本是按照图例来设计的,技术核心就在PFC上,通过3脚采样
输入电压信号来获得当前电流的乘积因子,来控制Duty,保证输入电流跟踪输入电压,起到PFC作用
2脚作为误差放大器的反相端,对输出电压进行采样,其正相端刚好是2.5V,验证了此前的经验猜测。
1脚作为误差放大器的输出,将其引出配合2脚可改变电压环的反馈,调教电压环。4脚作为电流检测,
可构成电流环,双环控制是目前最普遍的了。

下面再来看看输出主回路。
输出主回路采用LC谐振振荡,输出要么采用全波整流,要么采用双输出并联。表示这部分是我没看懂的地方,
(还请大牛们多多指教)
输入的管子用到是N-mos,输出用的是P-mos,之前没有接触过LC谐振电源。虽说和开关电源的原理差不多,
但是不晓得它这样有什么优势。管子用的不少,不过输出用mos管不用Dido可以肯定的是跟效率有关,在低压
大电流的情况下,如果采用Dido通常都会有0.3~0.7V的压降,在大电流情况下,这是一笔不小的损耗。

看看输出的控制部分吧,这个相对要简单点。
输出控制芯片采用UC3845,这是一款很经典的片子了,后来的芯片都或多或少的有它的影子,即使开关电源现在已经
发展了很多代了,现在我们公司部分产品还在用这款经典芯片。
UC3845的驱动输出供给IR2184,这也是一个经典的芯片,不过我之没用到过,看了下Datasheet,常用来作为半桥驱动输出,
但是本例中主回路并属于半桥之列,半桥的典型是3-2,推挽是2-3,但抄板的时候BUS电容确实只有一个,原边线圈也只有
一组,当时很是疑惑。输出回路设计的比较复杂,这点不能窥探出当时的设计者是出于什么考虑。还请大牛指教。
这里的UC3845同样采用电压电流双闭环控制,保证了输出的动态性能和稳态性能指标。采用光耦隔离输出反馈信号,这也是很
常见的一种做法了
贴上图
介绍到这里主要部分就介绍完了,下面部分应该算是一个电源的可靠性的考虑了,电源的主体部分其实差不多。
不一样的是应用场景的不同,其可靠度和稳定性是不能同日而语的,说白了就是各类保护措施,考虑的多,
保护电路就做的复杂,考虑的少就简单点。
看看设计者设计的各种保护吧
保护电路倒着来讲吧
先看输出过流保护的设计
这个过流保护电路当时画的时候还颇费了周折,因为GND的关系搞的有点乱,后来才想到采样采的是点位差,这样画的才顺当,图中很明白了,用通用的LM358双运放。
第一级差分采样输出电流上的敏感电阻(实物是康铜丝)的电压差,获取当前的输出电流
大小,将第一级运放的输出接至第二级的反相端,第二级设计成一个滞回比较器,起到对
输出过流时产生保护动作,关掉输出整流驱动。

说完过流保护,再看看输出电压保护

输出电压保护采用了一个特殊的芯片DAS001,该芯片的可查资料非常少,幸好找打了
它的内部框图,如下

该芯片内含两个运放,其中一个的同相端已经被内置了2.5V电压参考(又一用2.5V作参考的实例),
根据它的内部框图,可以很清晰的明白输出12V经取样后送给OP1的反相端,同相端已经内置了
2.5V参考电压。输出端与反相端接一电容构成了积分器,个人认为可以不要这个电容,直接作为
比较器用,一旦反相端高于2.5V,输出拉低,进而DO3内的一二极管导通,引发光耦U3导通,
接至Q19基极置高,Q19导通使得SD信号被拉低,从而控制驱动输出的芯片IR2184被停止

比较有趣的事是Q19的导通会触发Q6的导通,Q6的导通又进一步促进Q19的导通,如此形成
硬件自锁电路。通过实际人为拉低OP1的输出,的确关掉了输出,并且去掉人为拉低,芯片也不能
恢复工作,只有断电重新上电才能使系统重新工作。

同时注意到NTC2(负温度系数敏感电阻)在一定的温度条件下也能触发保护电路的自锁功能,简单
来说,系统温度升高,NTC由于其特性使得自身阻抗降低,串联电阻分压使得R17电压升高,到一定
程度就触发了Q19的导通,同理形成自锁,而只有断电重新上电且系统温度恢复正常后才会有输出产生

产品性价比:
这款产品综合拆解过程来看,
     外观指数5星,塑胶外壳,表面粗糙
    内部设计8星,金属用量十足,散热和屏蔽措施到位
    保护电路7星,各类保护电路都比较完善,但针对于输入的保护较少,对BUS的保护也没体现出来
但是作为电源适配器来说,这样的配置和做工很算考究了,毕竟是工业用品,用不着做那些花花外表,
性价比还是十足的高的,毕竟银行是大客户。



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沙发
suntechnology| | 2016-9-3 12:32 | 只看该作者
好牛啊!这种电源适配器都有。

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板凳
王栋春| | 2016-9-3 19:43 | 只看该作者
不错  看做工也挺到位

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地板
戈卫东| | 2016-9-3 19:56 | 只看该作者
内六角螺钉带防拆。。。。。。。

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5
不亦心| | 2016-9-4 22:08 | 只看该作者
不错

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6
晓默儿|  楼主 | 2016-9-4 22:32 | 只看该作者

我还没写完,怎么就结贴了,还有一些问题要请教大牛啊,怎么办,以前没发过贴

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7
yytda| | 2016-9-5 08:03 | 只看该作者
无独有偶,前两年我也拆了这么一个电源,跟你的一模一样,请看图



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8
晓默儿|  楼主 | 2016-9-5 23:08 | 只看该作者
yytda 发表于 2016-9-5 08:03
无独有偶,前两年我也拆了这么一个电源,跟你的一模一样,请看图

哈哈,巧遇,竟有这等缘分哈,我还在做原理分析和验证测试,,到时候集中问题还得向大牛你来请教哈

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9
给楼主点个赞,花了不少功夫

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10
pywmiss| | 2016-9-6 15:14 | 只看该作者
不错,学习了,,电源一直没有学好......惭愧

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11
WinnieSeven| | 2016-9-6 16:16 | 只看该作者
学习了,电源设计需要想的东西还挺多的。

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12
justtest111| | 2016-9-6 19:55 | 只看该作者
这个很给力啊

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13
AKKan| | 2016-9-7 07:39 | 只看该作者
回复Mark一下,待有时间细细看,楼主专业知识很牛!

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14
Wayner| | 2016-9-7 08:22 | 只看该作者
我觉得LZ人很勤奋努力,分析得很好

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15
whtwhtw| | 2016-9-7 08:34 | 只看该作者
能逆向分析出电路原理图来,那都是很牛X的人了,尤其这种模拟的,复杂的这种开关电源

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16
9robot| | 2016-9-7 08:57 | 只看该作者
抄板不容易,点赞

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17
沉默爱电子| | 2016-9-7 09:25 | 只看该作者
这个好,还有解释

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18
datouyuan| | 2016-9-7 10:37 | 只看该作者
楼主很给力!!!!

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19
sij19110| | 2016-9-7 17:45 | 只看该作者
顶!d=====( ̄▽ ̄*)b

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20
自由心飞扬| | 2016-9-7 23:33 | 只看该作者
求教个 问题。几个月以前 一个设备的开关电源坏了,买了个品牌的开关电源装了上去,是台湾某个品牌的,啥牌就不说了。结果 使用不到一天,步进电机驱动器善上的场管竟然击穿了一两个。场管拆换后,在准备接线时,我先打开电源测量下电压。结果竟然感觉好像漏电,开关电源出来的24伏电压竟然象针刺了一下手指,就一下没了。然后关机再开电源试,有时有 有时没。没办法怕再击穿场管,就在开关电源的输入端给加了个老式的1比1 隔离变压器。然后就没啥问题了。还有 另一种设备,用户总反应 漏电打人。有时有,有时没有,和神经病一样。测量又测量不到漏电的电压。我感觉是不是也是开关电源的问题。 就想问下,这高压从哪里冒出来的。是静电,还是感应出来的高压。还是电源设计的有问题。这电哪来的。你们经常搞电源 听说过没听说过 这种情况没有。

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