1. NGUYÊN LÝ NGUỒN XUNG
1.1. Khái niệm :


Mạch nguồn xung (còn gọi là nguồn ngắt/mở - switching) là mạch nghịch lưu thực hiện việc chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng điện xoay chiều.

1.2. Các sơ đồ nghịch lưu :
Có 2 dạng nghịch lưu cơ bản : nối tiếp và song song. 

1.2.1. Sơ đồ nghịch lưu nối tiếp


Ưu điểm : Đơn giản, dễ tính toán thiết kế, dễ lắp ráp. 

Nhược điểm : Cho phép dung sai linh kiện rất thấp. Không cách ly được mass sơ cấp và thứ cấp nên gây giật cho người sử dụng, gây nguy hiểm cho các linh kiện nhạy cảm. Chính vì vậy nguồn kiểu này hiện nay rất ít được sử dụng. Một trong những thiết bị điện tử dân dụng có nhiều ở Việt nam sử dụng nguồn nghịch lưu nối tiếp là máy thu hình Samsung CW3312, Deawoo 1418.



1.2.2. Sơ đồ nghịch lưu song song :





Ưu điểm Dễ thay đổi điện áp ra, cho phép dung sai linh kiện lớn. Mass sơ cấp và thứ cấp được cách ly tốt, an toàn cho người sử dụng và tải. 


Nhược điểm : Mạch phức tạp, khó sửa chữa Do khả năng cách ly tốt nên mạch nghịch lưu song song được dùng trong tất cả cả các bộ nguồn máy tính, từ AT đến ATX. Loạt bài này sẽ tập trung phân tích mạch nghịch lưu song song trong nguồn ATX. 

2. NGUỒN MÁY TÍNH (ATX)

2.1. Chức năng :

  • Biến đổi nguồn xoay chiều dân dụng (ở Việt Nam là 220v/50Hz, Nhật Bản là 110V/60Hz ...) thành các điện áp một chiều cung cấp cho PC.
  • Các mức nguồn một chiều ra bao gồm : +5V, +12V, +3.3V, -5V, -12V, +5V STB (standby – cấp trước, chờ), +4.5-5V PS-ON (Power Switch On – công tắc mở/bật nguồn), +5V PG (Power Good – Nguồn tốt, tín hiệu đồng bộ cho tất cả các mạch điện trong PC cùng khởi động).


2.2. Sơ đồ khối nguồn ATX





2.3. Chức năng các khối :
  • (1) Bảo vệ nguồn và tải khi bị sét đánh, khi điện áp vào tăng đột ngột. Lọc, loại bỏ hoặc giảm thiểu các xung nhiễu công nghiệp thông qua nguồn AC đi vào mạch nguồn ATX, nếu những nhiễu này không được loại bỏ có thể gây cháy nổ mạch nguồn, tải, giảm độ ổn định khi tải làm việc.
  • (2) Ngắt mở theo xung kích thích, nhằm tạo ra dòng điện không liên tục trên biến áp chính để lợi dụng hiện tượng cảm ứng điện từ tạo ra điện áp cảm ứng trên thứ cấp.
  • (3) Là tải của công suất chính, tạo điện áp ra thứ cấp, đồng thời cách ly giữa 2 khối sơ/thứ cấp để loại bỏ mass (điện áp cao) của sơ cấp bảo vệ tải và người sử dụng.
  • (4) Là một mạch nghịch lưu công suất nhỏ, có thể dùng dao động riêng hoặc blocking
  • (5) Là tải của công suất cấp trước, nhằm tạo ra điện áp cấp trước gồm 2 mức : 5V, 12-16V cung cấp cho dao động, PS-ON, STB và khuyếch đại kích thích.
  • (6) Nắn, lọc, ổn áp đưa ra các điện áp một chiều standby.
  • (7) Là một mạch dao động RC nhằm tạo ra xung vuông có tần số cố định (các nguồn đời cũ có tần số 13KHz, nguồn đời mới là 19KHz). Xung này được gửi tới điều khiển công suất chính đóng/mở. Xung ra từ dao động có độ rộng xung (tx) biến đổi theo điện áp ra, nếu điện áp ra cao hơn thiết kế thì độ rộng xung giảm xuống. Ngược lại, nếu điện áp ra giảm thấp hơn thiết kế thì độ rộng xung tăng lên. Vì vậy IC thực hiện dao động có tên là PWM (Pulse Wide Modulation – điều khiển độ rộng xung)
  • (8) Khuyếch đại tăng cường biên độ xung điều khiển. Đầu vào của mạch chính là xung vuông ra từ mạch dao động.
  • (9) Là tải của mạch khuyếch đại dao động kích thích với mục đích ghép xung kích thích sang công suất chính, đồng thời không làm mất đi sự cách ly giữa phần sơ cấp, thứ cấp.
  • (10) Bao gồm các mạch nắn, lọc, ổn áp. Đầu vào là điện áp xoay chiều lấy ra từ biến áp công suất chính, đầu ra là các mức áp một chiều ỏn định đưa đến jack ATX.
  • (11) Mạch hồi tiếp ổn định điện áp hoặc ngắt dao động khi điện áp ra quá lớn, ngắt dao động khi có chập tải để bảo vệ mạch nguồn cũng như bảo vệ tải (tránh hư hỏng thêm)
  • (12) Mạch khuyếch đại thuật toán, sẽ hoạt động sau khi máy được bật, tạo ra điện áp PG, thời điểm xuất hiện PG sẽ trễ hơn các điện áp chính khoảng 0.2-0.5 giây, nhằm chờ cho các điện áp ra đã ổn định. PG đưa vào main và kích thích tất cả các mạch trên main bắt đầu hoạt động ở cùng 1 thời điểm (đồng bộ thời điểm gốc)

3.2. Mạch standby dùng dao động blocking


Dạng 1 : Hồi tiếp trực tiếp (minh họa bằng mạch stabdby nguồn LC-200) 







Mạch được cấp nguồn 300Vdc từ mạch nắn/lọc sơ cấp. 


Tác dụng linh kiện :


Q12 : Dao động blocking, đồng thời là công suất stanby. R
55/R56 : định thiên cho Q12, đóng vai trò là điện trở “mồi” 
D23 : Nắn hồi tiếp duy trì dao động, điện áp ra ở Anode D28 mang cực tính âm (-). 
C19 : Lọc san bằng điện áp hồi tiếp. 
R57 : Phân áp, ổn định sơ bộ điện áp hồi tiếp.
ZD2 : Cắt hồi tiếp khi điện áp âm (-) từ điểm A nhỏ hơn điện áp ổn áp của nó. 
C3/L2 : Khung cộng hưởng RC song song, tần số cộng hưởng riêng của khung này được tính bằng công thức : f = 1/2∏xsqrt(L2xC3). 
Các bạn có thể thắc mắc về điều này, tuy nhiên đối với tín hiệu xoay chiều thì (+) nguồn và mass coi như chập (thông qua các tụ lọc) vì vậy đối với xoay chiều thì R55/C3 coi như mắc song song với L2. L1 : Tải của Q12. L2 : Cuộn hồi tiếp với nhiệm vụ tạo điện áp theo hiệu ứng lenz sử dụng để duy trì dao động. 
R58/C23/D32 : Khử điện áp ngược, chống ngắt dao động. 


Nguyên lý :


Điện áp 300V qua R55/R56 định thiên chân B Q12, điện áp này tại chân B ~2V (đo DC khi ngắt hồi tiếp) làm cho Q12 mở bão hòa luôn. Khi Q12 bão hòa, dòng điện qua nó như sau : (+)300V qua L1 → chân C Q12 → EC Q12 → mass. Vì dòng này đi qua L1, theo đặc tính của cuộn cảm (luôn sinh ra dòng chống lại dòng qua nó theo hiện tượng cảm ứng điện từ) nên dòng qua L1 không đạt mức bão hòa ngay mà tăng lên từ từ. Vì vậy từ trường sinh ra trên lõi biến áp STB cun tăng từ từ (từ trường động). Theo định luật cảm ứng điện từ Lenz, từ trường tăng từ từ trên lõi biến áp STB sẽ làm phát sinh trên tất cả các cuộn dây của biến áp 1 suất điện động cảm ứng. Điện áp cảm ứng trên L2 được nắn bởi D28 và lọc bằng C19 lấy ra điệnáp 1 chiều cực tính âm (-) ở điểm A, được ổn định (tương đối) bằng R57, độ ổn dịnh phụ thuộc vào tích số T = R57xC19 (thời hằng – hằng số thời gian tích thoát của mạch RC) Điện áp tại điểm A lại qua ZD2 tới chân B của Q12. Vì là điện áp âm nên nó xung đối với điện áp dương do định thiên R55/56 đưa tới, kết quả là 2 điện áp này trng hòa lẫn nhau làm cho điện áp chân B Q12 trở về 0, dòng qua L1, Q12 mất. Khi dòng qua L1, Q12 mất thì từ trường trên nó cũng mất đi làm cho từ trường trên lõi biến áp = 0 dẫn đến điện áp cảm ứng trên các cuộn day biến áp STB = 0. Dĩ nhiên điện áp cảm ứng trên cuộn L2 mất. Vì điện áp trên L2 mất nên D28 ko đửa điện áp âm nữa. Tuy vậy vì có C19 đã nạp (lúc trước) nên giờ nó xả làm cho điện áp tại điểm A ko mất ngay, việc C19 xả sẽ duy trì mức âm ở chân B Q12 thêm 1 thời gian nữa, Q12 tiếp tục khóa. Tới khi điện áp âm do C19 xả ko đủ lớn để mở ZD2 thì ZD2 sẽ ngắt, ko còn điện áp âm tới chân B Q12, lúc này chân B chỉ còn áp dương do R55/56 đưa tới và nó lại mở bão hòa. Một chu trình bão hòa/khóa lại bắt đầu. 


Tần số dao động của mạch :


Được quyết định bở L2/C3. Vì đây là cộng hưởng song song nên khi cộng hưởng thì dòng qua L2 là max, khi đó dòng hồi tiếp là max đủ cho ZD2 mở, Q12 sẽ khóa khi sự cộng hưởng mất đi. Nói cách khác thì tần số dao động của mạch chính bằng 1/2∏xsqrt(L2xC3). Thực tế, khi Q12 khóa, dòng qua L1 ko mất ngay do từ trường trên lõi biến áp vãn còn (nhỏ) làm xuất hiện điện áp cảm ứng trên L1 với chiều (+) ở C Q12 ,điện áp này tồn tại trong thời gian cực ngắn (giống như quét ngược ở công suất dòng tivi, CRT) nên có giá trị rất lớn (~ 800V với nguồn đời mới) làm phát sinh 2 hậu quả : - Q12 có thể bị đánh thủng do áp quá lớn, để khắc phục thì Q12 được thiết kế dùng loại điện áp cao. - Q12 có dòng rò do điện áp lớn, dẫn tới dòng qua L1 được duy trì, điện áp cảm ứng trên L1 duy trì làm cho điệp áp âm (-) về B Q12 cũng duy trì và ko thể phục hồi được điện áp định thiên (+) và như vậy chu trình bão hòa/khóa ko thực hiện. Nói cách khác, dao động mất. Khắc phục : Khi áp chân C Q12 tăng cao sẽ phóng qua D32 trung hòa với điện áp trên C23. Nếu bạn tính theo giá trị điện áp sẽ thấy là áp tại chân C Q12 và điện áp trên C32 là ngược chiều, trung hòa lẫn nhau. R58 là điện trở tăng cường để thời gian trung hòa là rất ngắn, loại bỏ được hiện tượng dò Q12, khôi phục chu kỳ dao động.

Lưu ý: Để hiểu rõ các bạn hãy xem lại lý thuyết về chế độ hoạt động của BJT (chế độ A, B, C) và nguyên lý mạch cộng hưởng, các tham số khi cộng hưởng.


Điện áp cảm ứng trên L3 được sinh ra nhờ từ trường biến đổi do Q2 liên tục bão hòa/khóa. Điện áp này được nắn/lọc lấy ra điện áp standby. Đường 1 : Nắn bởi D30 ra 12V nuôi dao động, khuyếch đại kích thích. Đường 2 : Nắn bởi D29, lọc C23 và ổn áp bằng IC 7805 lấy ra 5V cho dây tím, hạ áp qua trở cho PS-ON, nuôi mạch thuật toán tạo PG. 


Các hư hỏng:

Hiện tượng 1: Nổ cầu chì, thay lại nổ.


- Chập Q12, hoặc Q12 bị thay bằng BJT điện áp thấp, cắm điện vào sẽ thông luôn. Đối với nguồn này, tần số dao động 13kHz, Q12 có thể dùng C2335, 13007 là OK. Lưu ý : Với nguồn đời mới, tần số 19Khz không sử dụng C2335 được nhé (vì điện áp Uce max của C2335 thấp)

Hiện tượng 2: Điện áp standby mất.


- Mất dao động do : - Đứt điện trở mồi (R5/56). - Đứt D28 làm mất hồi tiếp. - Khô, đứt, thối chân C19 không lọc san bằng, hồi tiếp bị xung làm ZD2 khóa. - Đứt hoặc thay sai giá trị ZD2 làm mất hồi tiếp. 

Hiện tượng 3: Mất 5V STB


- Đứt D29, 7805 - Chập C23 

Hiện tượng 4 : Áp standby suy giảm


Thông, rò diode nắn. - Tụ lọc khô.

Dạng 2 : Hồi tiếp gián tiếp






Mạch được cấp nguồn 300Vdc từ mạch nắn/lọc sơ cấp. 


Tác dụng linh kiện:


Rhv : Điện trở hạn chế, điện áp ra sau nó còn khoảng 270V. 
R3, R5 : Định thiên (mồi) cho Q3. Q3 : Công suất standby, ở đây dùng Mosfet 2N60. R4 : Tạo hồi tiếp âm điện áp, sử dụng sụt áp trên R4 như một sensor để kiểm tra dòng qua Q3, thông qua đó sẽ điều chỉnh để Q3 hoạt động ổn định. ZD1 : Ổn định điện áp chân G, nhằm bảo vệ không để Q3 mở lớn, tránh cho Q3 bị đánh thủng. 
C34 : Tụ nhụt, bảo vệ Q3 không bị đánh thủng khi chịu điện áp âm cực lớn của thời kỳ quét ngược. 
R9 : Điện trở phân áp, tạo sự ổn định (tương đối) cho chân G Q3 và C Q4. L1 : Tải Q3. L2 : Cuộn hồi tiếp. Q4 : Mắc phân áp cho chân G Q3, đóng vai trò đảo pha điện áp hồi tiếp. D5 : Nắn hồi tiếp theo kiểu mạch nắn song song nhằm tạo điện áp (+) ở điểm A. C8 : Lọc điện áp hồi tiếp.
U1 : Mạch so quang, hồi tiếp âm ổn định điện áp STB. R17 : Điện trở nâng cao mức thấp, với mục đích ngắt điện áp hồi tiếp tới chân B Q4 khi điện áp này giảm xuống còn ~ 2V. C4, R6, D3 : Khử điện áp ngược, chống ngắt dao động. 


Nguyên lý:


Điện áp 300V từ mạch nắn/lọc sơ cấp qua Rhv còn ~270V cấp cho mạch. Điện áp này chia làm 2 đường : Đường 1 : Vào điểm PN6, ra PN4 tới chân D Q3. Đường 2 : Qua R3, R5 kết hợp phân áp R9 định thiên cho Q3, đồng thời cấp cho Q4 (chân C). Các bạn hãy để ý Q4 mắc phân áp cho G Q3 nên nếu Q4 bão hòa thì điện áp tại G Q3 ~ 0, Q3 khóa. Nhờ định thiên (mồi) bởi R3, R5 nên Q3 mở. Dòng điện đi từ 270V qua L1, qua DS Q3 xuống mass, kín mạch. Vì dòng này đi qua L1, theo đặc tính của cuộn cảm (luôn sinh ra dòng chống lại dòng qua nó theo hiện tượng cảm ứng điện từ) nên dòng qua L1 không đạt mức bão hòa ngay mà tăng lên từ từ. Vì vậy từ trường sinh ra trên lõi biến áp STB cun tăng từ từ (từ trường động). Theo định luật cảm ứng điện từ Lenz, từ trường tăng từ từ trên lõi biến áp STB sẽ làm phát sinh trên tất cả các cuộn dây của biến áp 1 suất điện động cảm ứng. Điện áp cảm ứng trên L2 được nắn bởi D5 và lọc bằng C8 lấy ra điện áp 1 chiều cực tính âm (+) ở điểm A, được ổn định (tương đối) bằng R16, độ ổn định phụ thuộc vào tích số T = R16xC8 (thời hằng – hằng số thời gian tích thoát của mạch RC) Điện áp tại điểm A lại qua CE U1 (so quang) tới chân B của Q4. Vì là điện áp dương nên nó làm cho Q4 bão hòa. Khi Q4 bão hòa thì điện áp tại chân C Q4 ~ 0, mà chân C Q4 lại nối vào chân G Q3 nên UgQ3 ~ 0 làm cho Q3 khóa. Khi dòng qua Q3 khóa, dòng qua L1 mất đi, từ trường trên L1 cũng mất đi làm cho từ trường trên lõi biến áp = 0 dẫn đến điện áp cảm ứng trên các cuộn day biến áp STB = 0. Dĩ nhiên điện áp cảm ứng trên cuộn L2 mất. Vì điện áp trên L2 mất nên không đưa ra áp (+) tại điểm A nữa. Tuy vậy vì có C8 đã nạp (lúc trước) nên giờ nó xả làm cho điện áp tại điểm A ko mất ngay, việc C8 xả sẽ duy trì mức (+) ở chân B Q4 thêm 1 thời gian nữa và Q4 tieps tục bão hòa, Q3 tiếp tục khóa. Tới khi điện áp (+) do C8 xả ko đủ lớn (≤2V) thì R17 sẽ ngắt điện áp hồi tiếp, chân B Q4 sẽ giảm về O, Q4 khóa. Khi Q4 khóa thì điện áp định thiên do R3, R5 được phục hồi và Q3 lại mở. Một chu trình mở/khóa lại bắt đầu. 


Tần số dao động của mạch:


Được quyết định bởi L2/C8/R16. Đây là cộng hưởng nối tiếp nên khi xảy ra cộng hưởng thì điện áp trên L2 là max, khi đó dòng điện áp tại điểm A là max đủ cho R17 dẫn, Q4 bão hòa. Nếu mất cộng hưởng thì điên áp trên L2 min, điện áp điểm A min không đủ thắng lại sụt áp trên R17 làm Q4 khóa, Q3 mở (cố định) và dòng qua L1 sẽ là cố định ko tạo ra được từ trường động làm điện áp cảm ứng trên tất cả các cuộn của biến áp STB mất đi. Nói cách khác thì tần số dao động của mạch chính bằng 1/2∏xsqrt(L2xC8R16). Thực tế, khi Q3 khóa, dòng qua L1 ko mất ngay do từ trường trên lõi biến áp vẫn còn (nhỏ) làm xuất hiện điện áp cảm ứng trên L1 với chiều (-) ở D Q3 ,điện áp này tồn tại trong thời gian cực ngắn (giống như quét ngược ở công suất dòng tivi, CRT) nên có giá trị rất lớn (~ 800V với nguồn đời mới) làm phát sinh 2 hậu quả : Tác dụng của C4, R6, D3 giống như mạch hồi tiếp trực tiếp. Điện áp cảm ứng trên L3 được sinh ra nhờ từ trường biến đổi do Q2 liên tục bão hòa/khóa. Điện áp này được nắn/lọc lấy ra điện áp standby. Đường 1 : Nắn/lọc bởi D9/C15 ra 12V nuôi dao động, khuyếch đại kích thích. Đường 2 : Nắn/lọc bởi D7/C13/C18 5V cho dây tím, hạ áp qua trở cho PS-ON, nuôi mạch thuật toán tạo PG. 


Ổn định điện áp : Sử dụng OPTO U1.


Nếu điện áp ra tăng (vì tần số dao động thay đổi) thì nguồn ra 5V tăng lên. Khi đó nguồn cấp cho cực điều khiển của U1 (TL431) từ 5V qua R27 tăng lên làm cho 431 mở lớn. Để ý thấy 431 mắc nối tiếp với diode phát của OPTO, vì 431 mở lớn nên dòng qua diode (từ 5V STB qua R30, qua diode, qua 431 xuống mass) tăng lên, cường độ sáng của diode tăng tác động tới CE U1 làm điện trở Rce U1 giảm, điện trở này lại mắc nối tiếp từ điểm A về R17 nên làm cho điện áp hồi tiếp về B Q4 (qua R17) tăng lên, kết quả là Q4 bão hòa/Q3 khóa sớm hơn thường lệ. Nói cách khác thì thời gian mở cửa Q3 trong 1 giây nhỏ sẽ giảm xuống làm điện áp ra giảm. Nếu điện áp ra giảm (vì tần số dao động thay đổi) thì nguồn ra 5V giảm. Khi đó nguồn cấp cho cực điều khiển của U1 (TL431) từ 5V qua R27 giảm lên làm cho 431 mở nhỏ. Để ý thấy 431 mắc nối tiếp với diode phát của OPTO, vì 431 mở lớn nên dòng qua diode (từ 5V STB qua R30, qua diode, qua 431 xuống mass) giảm xuống, cường độ sáng của diode giảm tác động tới CE U1 làm điện trở Rce U1 tăng, điện trở này lại mắc nối tiếp từ điểm A về R17 nên làm cho điện áp hồi tiếp về B Q4 (qua R17) giảm xuống, kết quả là Q4 bão hòa/Q3 khóa muộn hơn thường lệ. Nói cách khác thì thời gian mở cửa Q3 trong 1 giây nhỏ sẽ tăng lên làm điện áp ra tăng. 


Ổn định điện áp : Sử dụng điện trở hồi tiếp âm điện áp R4.


Nếu Q3 mở lớn (làm áp ra cao) thì dòng qua R4 tăng. Sụt áp trên R4 (tính bằng UR4 = IQ3 x R4) tăng lên. Để ý sẽ thấy sụt áp này đưa về chân B Q4 qua R8 làm Ub Q4 tăng, Q4 sẽ bão hòa, Q3 khóa sớm hơn thường lệ. Nói cách khác thì thời gian mở cửa Q3 trong 1 giây nhỏ sẽ giảm xuống làm điện áp ra giảm. Nếu Q3 mở nhỏ (làm áp ra thấp) thì dòng qua R4 giảm. Sụt áp trên R4 (tính bằng UR4 = IQ3 x R4) giảm xuống. Để ý sẽ thấy sụt áp này đưa về chân B Q4 qua R8 làm Ub Q4 giảm, Q4 sẽ bão hòa, Q3 khóa muộn hơn thường lệ. Nói cách khác thì thời gian mở cửa Q3 trong 1 giây nhỏ sẽ tăng lên làm điện áp ra tăng.