韌體更新設計實例 (一) 流程設計

這篇文章介紹如何維修GW SPS-606 交換式電源供應器的顯示器，以及整台電源供應器的工作原理。同時提供電路除錯的思考方式以及注意事項，讓讀者可以理解並加速電子電路故障時的除錯速度。{alertInfo}

目錄

前言

在FB的二手拍賣社團，我找到了一台被遺棄在角落的電源供應器，外觀與顯示器看起來都很正常，但賣家說表頭會一直跳動無法使用。剛好一直沒買電源供應器，就決定嘗試維修看看。
這台電源供應器型號是GW SPS-606, 單通道輸出。輸出電壓0~60V, 輸出電流0~6A，最大功率360W，售價其實不便宜。

	SPS-606
Input Voltage	AC 115V/230V ±15%, 50/60Hz
Output Voltage	0~60V
Output Current	0~6A
Ripple Noise	< 5mVrms, 100mVp-p 20Hz ~ 20MHz
Voltage Ragulation	< 5mV
Accuracy	±( 0.5% of rdg + 2 digits )
Size	128(W) x 145(H) x 285(D)mm
Weight	3.2 kg

這台算是高階的電源供應器，因為輸出電流比較大，背板有 Remote sense 的連接端子來補償因為線材造成的壓降。這是標準的四線式測量法，又稱凱爾文測量法。當不使用 sense 線的時候，官方說明書標示需要把後面的端子連接起來，避免電源供應器無法輸出電壓。下圖左上角綠色端子台就是 sense 線的連接處。

外觀功能與故障狀況

這台的故障狀況初步看起來是只有LED顯示器會跳動，而實際輸出使用電錶量測是可調且穩定的。

使用電子負載機對電源供應器進行抽載，也可以達到規格書上標稱的 60V /6A 輸出。

電路解說

打開外蓋，內部由三個子板組成。第一個是最主要的主板，負責提供電源轉換輸出。第二個是控制板，上面有四個可變電組來調整輸出的電壓與電流，還有一個按鈕來切換輸出電流檔位。第三塊是顯示面板，上面有負責驅動七段顯示器的晶片 ICL 7197。

最另我驚訝的是主板，其元件數量非常少，或者說他的實作方式非常極致的 cost-down。
大功率電源供應器前級都會是功率因數校正 (PFC) 級，接著串聯DC-DC轉換器。但在這張板子上使用的不是專為 PFC 設計的控制晶片，而是 UC3846 電流模式PWM控制晶片。

因此我猜測這台電源並沒有 PFC 功能，只有純粹使用橋式整流器連接到大電容來產生簡易的直流。
因為從 ICE-61000-3-2 法規規定的 PFC 需要在輸入功率大於 75W 以上才需要，雖然這台電源供應器最高可以提供 360W ，但最低可以提供 0W。因此製造商可能就因此規避法規的規範，進而降低成本。（雖然這台機器市價一萬多台幣...）
從網路上找到這台電源供應器線路圖，主控制器是 U204 (UC3846)，先經過脈衝變壓器 T202 來產生驅動訊號控制 Q205, Q206 以及 Q207, Q208，在用這兩組開關與 T301 組成 Forward 轉換器來提供輸出。

15V 與 5V 的輔助電源則由 U202(UC3844) 與 T201 的雙輸出 Flyback 變壓器產生風扇與顯示板的電源。另外版上的 U201 (PT555) 是用來產生時脈訊號，輸出透過 Q201 送給兩個 IC 的時脈輸入端，讓 U204 與 U201 可以同步運作。兩者同步的目的是讓二次測的同步整流開關 Q302 可以與主開關同步， +15B 與 -15B 在這裡當驅動訊號，可以省掉二次測同步整流( Syncronize Rectifier, SR)的控制器與額外成本，是很精巧的設計。
而線性穩壓器 7805 位在主版末端，靠近顯示面板與控制板的位置，這樣才能避免不必要的壓降在電路板上。

修復過程

由於電源供應器的功能與輸出電壓，電流都是可以調整與控制的，我們直接把機器的故障範圍縮小到顯示面板故障，或者傳送給顯示板的電壓有大干擾或漣波。
七段顯示器的驅動器使用 ICL7107 3位半ADC與七段顯示器驅動器來驅動 LED 燈，他的應用電路很簡單，只需要提供 5V 電壓以及輸入的差分訊號，這個晶片就可以把類比讀值轉換成七段顯示器輸出，讓人可以直接透過眼睛來讀取資訊。

第一步先來量測顯示板在沒有輸入電壓的情況下顯示的數值是多少。用 ISO-Gurad 將模組上電，發現即使沒有任何輸入電壓，顯示器上的數字還是會一直跳動，表示模組本身有異常導致顯示錯誤。
左邊是電流表，右邊是電壓表，拆下模組使用外部供電後明顯跳動的是左方表頭。

接著，參考Datasheet的標準電路量測電路板上的每個零件。在這裡我不一一將每個零件拆下來，太花時間了。而且會跳動的表頭只有左邊的電流表，兩組電路應該是相同的。這時候在秋葉原買的法寶 LCR Meter 就派上用場了！！

我使用的除錯策略是只量測晶片腳位的電容值，以及電路板上相同位置的電容值。只要兩邊相同就表示沒有問題，但如果零件與 datasheet 的建議電路數值相差太遠，就需要把零件拔起來獨立測量。

量了兩顆IC都正常，但在電路上有一顆陶瓷電容應該是 100pF 但量測卻只有 2pF而另一顆量起來雖然也不在誤差範圍，但也還有75pF。於是去光華商場買了一小包相同容值的電容來更換。還有另一個穩壓用的 100µF 電解電容只剩下 70µF，一樣用工具箱的零件把他換掉。
接著一樣使用ISO-Gurad幫顯示面板上電，測試之後發現顯示器不會再亂跳動了！應該修好了吧！

結果整台組裝起來發現電表還是會跳動！！
我心想該不會修不好了，這篇文章要難產了的時候，瞄到主版上的電解電怎麼有點凸凸的呢？好像有點"波估"啊？
而且電解電容是現在電力電子技術上壽命最短的零件，除非使用而貴的固態電容，一般而言電解電容的壽命大約只有五年，實際則會因使用溫度、電流漣波大小有關。詳細電解電容在低溫的資訊，還有電解電容的結構，可以參考本站 電解電容的低溫特性 一文。

主電路上有三顆 1000µF/16V 的電容器故障，將其取下後進行量測，只剩下 45µF左右，這種容值完全失去濾波與穩壓的效果了。這三顆電容的角色分別是穩定7805的輸入以及輸出電壓，容值降到這麼低對應的5V輸出電壓也不穩定，也難怪顯示器在更換陶瓷電容後依然有跳動現象。
最後，靠著早期專案使用到的 1000µF/25V 電解電容當替換料，三顆電容全數換上之後就把儀表板修復成功了！！ 在使用三用電表與螺絲起子把表頭校正成相同數值，就完成這次的修復！！
這次維修使用的零件只有 100pF 電容：15元，若把庫存品成本有算進去也只不過50元而已～但當然，背後的知識才是最重要的！

結論

SPS-606是一台固緯生產的交換是電源供應器，他是Forward架構的轉換器，但他沒有PFC功率校正電路來確保交流電的電壓與電流相位（或者是筆者還看不出來由哪一個元件控制，還請讀者賜教）
故障原因是儀錶表頭故障，使用 LCR Meter 進行量測後發現有一個陶瓷電容以及電解電容故障，且更換後接上主板表頭依然有跳動現象。
檢查主版上的零件發現還有三顆穩壓用的電解地電容也有故障狀況，因此使用替代料將其全數換新後變修復這次的表頭跳動故障。
這一次的修復讓我學到很多，首先除錯時不一定需要將每個零件都取下才進行測量，如果有對照的量品，可以直接在電路板上進行量測，但如果沒有對照組，同時又需要精確的數值就還是需要取下零件。此外，這次的經驗讓我知道 LCR Meter 是一個超值的投資！ 當初設計Tiny-Aux的時候就是因為沒有 LCR Meter 導致燒毀了很多次開關用的MOS，想想這些都是錢累積起來有不少呢....

參考資料

自己的維修經驗