background image

Many thanks to Peter VK2BFQ for the excellent revision of the following text

13.8 V / 15 A from a PC Power Supply 

Safety Instructions

Caution mortal danger: The following circuit operates at a mains voltage of 230 Vac. 
Because of rectification some of the components conduct dc voltage, of more than 322 V. 
Work has to be carried out only when the circuit is disconnected from the mains, and de-
energized. Note that capacitors located on the primary side, can be charged with high 
voltage for several seconds.Even after switching off the mains voltage.

The major disadvantages of usual linear power supplies are high power dissipation, the 
size, and the appropriated weight. When looking for an alternative solution, I decided to 
use a switch mode power supply (SMPS). The efficiency of such power supplies is around 
70 % to 90 % at a power density of 0.2 W / cm³. Because homebrewing was out of the 
question due to lack of time, I tried the modification of a PC switch mode power supply. 
The latter are mass produced goods, and available for less than 50 DM. 

Fig.1: Block diagram of a primary switching power supply 

Brief description of PC SMPS Features

Depending on the PC model, these are rated anywhere between 150 and 300 W. For 
supplying socket 7 main boards they have four different output voltages of +5 V, +12 V, -
12 V and -5 V. They are mainly primary switching power supplies with power switches 
arranged in a half-bridge configuration. The outputs can drive the usual 20 A (+5 V), 8 A 
(+12 V) and 0.5 A (-12 V, -5 V). At approx. 205 W output power and a typical efficiency of 
75 % this means a dissipation of only 68 W. I had acquired an unbranded PC power 
supply, measuring 140W x 100D x 50H mm, and weighing 350 g. Most power supply units 
are designed according to the same principle (half-bridge configuration), and hence the 
following described modification should be applicable also, to power supplies from other 
manufacturers.

Fig.2: Half-bridge configuration of power switches

Strona 1 z 7

2012-01-21

background image

Regulation 

After  switching  on  the  mains  voltage  the  circuit  operates  for  a  short  duration  as  a  free-
running  oscillator.  This  behavior  is  caused  by  a  feedback  winding  at  the  output 
transformer  T2.  As  soon  as  the  auxiliary  voltage  Uaux  is  present,  the  pulse  width 
modulator  IC,  TL494CN  from  Texas-Instruments  takes  over  the  control  function,  and 
synchronizes the "oscillator". 
The error amplifier in the TL494 compares the voltage at the +5 V output (actual value), 
with a reference voltage (set value).It calculates the analogue control variable according 
to  the  PI  algorithm,  and  adjusts  the  pulse  width  modulator  (see  Fig.  6).  The  modulator 
sends alternate pulses to the driver transistors Q5 and Q6. The pulse duration is inversely 
proportional to the variable control setting. Increased loading on the +5 V output, makes 
for  wider  pulses.  Lighter  loading  causes  narrower  pulses.  As  there  is  a  finite  minimum 
pulse width, a minimum load of 0.1 A is required. Without this load the power supply may 
be  destroyed.  The  switching  frequency  is  approximately  33  kHz.  fairly  normal  for  PC 
power supplies. It is defined by a resistor, and a capacitor located at pin 5 and 6 of IC1. 

Monitoring Circuit

Strona 2 z 7

2012-01-21

background image

Several protection circuits are included in the original power supply. Excessive primary 
current due to a very high secondary current, leads to a high alternating voltage at the T3 
output. If this voltage is above a fixed threshold, the TL494 stops cyclically generating 
pulses, and changes to the intermittent mode (on / off). The circuit and the load are 
protected likewise against over-voltage at the +5 V output, or short-circuit at the -12 V and 
-5 V outputs. Switching off is executed via H-signal to the IC1 protection input (pin 4) as 
well.
If you see a KA7500 or IR3MO2 PWM regulator IC on the board, each one is a pin 
compatible second source to the TL494CN. IC3 is a LM339 dual comparator type. Some 
power supplies are not equipped with this IC, but instead, with a discreet two transistor 
monitoring circuit, offering the same functionality. 

Mods to the Secondary Rectification

The  intent  is  for  all  of  the  available  power  at  the  12  V  secondary  of  T1  to  be  rectified, 
regulated,  protected,  and  filtered  to  provide  a  single  output  of  13.8  V  DC  at  205  W,  or 
more, if possible. A first check indicated that the +12 V wire was of the same diameter as 
the +5 V wire. 
First  unsolder,  and  remove  all  components  on  the  secondary  side  of  T1,  which  are 
provided for rectification, filtering, and regulation of the four output voltages. On that part 
of  the  board,  there  are  only  three  remaining  components.  RC1  to  RC3,  and  the 
components for providing the auxiliary power supply Uaux. 

Reconstruction of the secondary side.

Break the PCB tracks between the RC members RC1 / RC2 and 
both 5 V taps of the T1 secondary winding.

Modify L4 for 12 V at 20 A. Remove windings L4a, L4b and L4c 
from the toroid (counting turns of L4c). Rewind the toroid L4* with 
a single winding, turn count as old L4c but with 2.5 times the 
thickness. Take two wires with 1 mm diameter each, bifilar 
wounded.

Install two low ESR electrolytic capacitors of 2200 uF each and 
the 100 Ohm bleeder resistor as permanent load.

Use the old PCB tracks from the +5 V section and GND tracks as 

Strona 3 z 7

2012-01-21

background image

A simple and clear structure of the secondary rectification was achieved after "stripping" 
and "reconstruction". 

Mods to the Regulation and Protection Circuit

The part of the circuit responsible for regulation and monitoring has to be modified at 
three places. Arrange additional components free standing on the component side of the 
PCB.

terminals for L4*. The 100 Ohm resistor and the two 2200 uF 
capacitors. Insert L4* at the same place, onto the PCB 
component side where the L4b winding was connected before.

The original cooling of the rectifier diode D5 is insufficient. 
Adequate cooling is achieved by a finned heat sink measuring 70 
x 50 x 30 mm (W, D, H) instead of the old aluminium sheet metal. 

Fasten D5 to the heat sink and extend the three leads by 40 mm 
long wires. Use isolation material and thermal compound. D5 
carries on some boards the abbreviation SKD. 

Place the finned heat sink approx. 40 mm above the "stripped" 
secondary (see photo) with plastic spacers and long M3 screws 
(avoid short-circuit to common). 

Connect the anode leads of D5a and D5b with one RC member 
RC1 / RC2 each. The cathodes have to be connected to the 
nodal point of RC1, RC2 and L4.

Establish two links between the 12 V terminals of T1 and the RC 
members by two thick wires. D5 will be fed from the 12 V 
winding. 

R24* is calculated for 13.8 V output voltage. The voltage at the 
(+) input of the error amplifier must be equal to 2.5 V after control 
loop stabilization, i.e. half the 5 V reference voltage when the 
output is at 13.8 V. 

R24* = 20 kOhm = 2 x 10 kOhm in series

Arrange a second universal diode 1N4148 and a 8,2 V Zener 
diode in series to D16. 

Strona 4 z 7

2012-01-21

background image

The areas marked with dotted frames, show the modified or additional components that 
are necessary for 13.8 V output. 

Fig. 6: Regulation and protection circuits incl. all modifications

Further Modifications 

After commissioning the modified board, the situation in regards to interference looks very 
bad. The whole reception range from 3.5 MHz to 30 MHz was disturbed by harmonics of 
the 33 kHz switching frequency. S-meter readings showed S5 on 80 m down to S2 on 10 
m. As I was testing the board in a metal box, the HF radiation could only get out on the 
mains cable and/or DC output leads. The insertion of an additional standard 230 VAC 
mains filter, and a home-brewed pi-filter in the output rendered the interference inaudible.

U

sum

 = 8,2 V + 2 x 0,7 V = 9,6 V

Simplify the voltage divider (R36, R42, R45 and D14) in the 
short-circuit protection circuit. For this remove R36 and D14. 
Connect the free end of R42 to common (GND) and replace R45 
with one of higher value to ensure no shut-down at normal 
operation. The voltage across R42 must be less than 1,7 V (I 
chose 1,2 V). 

R45* = 15 kOhm

Insert an additional 230V / 2A mains filter to the primary side, 
close to the place where the mains cable enters the enclosure 

Strona 5 z 7

2012-01-21

background image

Testing the Power Supply

Phase 1: These tests have to be carried out at a low DC supply voltage in order to avoid 
component destruction in case of possible errors. The 13.8 V output is loaded with a 12 
V / 50 W car headlight globe, and a 15 V / 1 A lab power supply is connected to GND, and 
Uaux. The TL494 IC generates control pulses, with a maximum pulse duration. Check the 
signals at Q5 and Q6. 

Phase 2: During the second test phase, the galvanic isolated primary side of the circuit is 
supplied by the lab supply also. For this purpose make a short cable link between Uaux 
and U+ as well as between GND and U-. The PWM controller tries to offer 13.8 V at the 
output at maximum pulse duration. The latter cannot be successful, due to the low 15 Vdc 
input voltage, and the present transformer ratio. With an oscilloscope, measured signals 
at  the  measuring  points  TP1  (emitter  Q1  against  emitter  Q2)  and  TP2  (cathode  D5 
against GND) must look like that, shown in figure 7. 

Phase 3: Nor disconnect the lab supply from the primary side only. Instead connect a 48 
V / 1 A mains transformer to the L1 and N terminal in order to feed the board with a 
galvanic isolated Ac voltage. 60 Vdc at C1 and C2 is in Europe defined as a non-
dangerous voltage rate. 48 VAC at the input causes a rise of the output voltage up to +6 
V. 

rear wall. 

Insert a 20 A pi-filter to the DC output , behind the +/- DC 
terminals at the rear wall.

The power supply enclosure must absolutely consist of iron sheet 
metal to screen magnetic fields. Aluminum plates protect only 
against electrical fields. 

Optional on the primary: Replace the 220 uF smoothing 
capacitors C1 and C2 by 470 uF capacitors. This reduces 
primary ripple, which helps output regulation at full load. 

Strona 6 z 7

2012-01-21

background image

If everything is all right up to now, one can proceed with the exciting test at 230 Vac. The 
laboratory power supply, the 48 V transformer, the measuring instruments and all 
provisional cable links attached for the test etc. must obviously be removed. The car 
lamp, is further needed as a load, and for the functional checks. If after application of the 
230 Vac mains voltage, the lamps light up brightly, the output voltage amounts to 13.8 V, 
and no undefined noises, or smells are noticeable, you have won the first round. If a non 
recognisable error has passed the pre-testing, the two switching transistors, and copper 
tracks say good-bye, with a more or less loud bang. 

For the following load test, some high power resistors with 1 Ohm resistance, and 
sufficent power rating are required. The current flowing with this load should not cause 
excessive heating of the rectifier diode, and the switching transistors during a 5 minute 
test period.

Warning: Check temperature of components only if the mains voltage is switched off

Cooling of the switching transistors Q1 and Q 2 at a continuous current of 15 A has to be 
proved in any case. When exchanging the small heat sinks, note that they form an 
electrical connection between copper tracks on some boards. Replace the missing 
connection by wire links. As one can see on the photo, I did not take this measure, for 
further power improvement.

Operation Experience

The modified board was permanently installed in the SP120 speaker cabinet that matches 
my transceiver. The mains lead exit from its rear, which also carries the DC terminals, an 
on-off switch, the additional mains filter and a small 12 V blower. A green LED power-on 
indicator was inserted in the front panel into a 5 mm hole. I had installed the small blower 
just in case, but found it superfluous. At the low duty cycle of CW and SSB, none of the 
components are getting hot. The power supply has been in use for several years, and has 
given no problems. 

Fig. 8: Modified power supply board i

Strona 7 z 7

2012-01-21