开关电源的基本组成及工作原理

一电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，功耗小，转化率高，且体积和重量只有线性电源的20%—30%，故目前它已成为稳压电源的主流产品。电子设备电气故障的检修，本着从易到难的原则，基本上都是先从电源入手，在确定其电源正常后，再进行其他部位的检修，且电源故障占电子设备电气故障的大多数。故了解开头电源基本工作原理，熟悉其维修技巧和常见故障，有利于缩短电子设备故障维修时间，提高个人设备维护技能。 二.开关电源的组成 开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成，见图1。 1. 主电路 冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。 输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。 整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。 逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。 输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。 2. 控制电路 一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。 3. 检测电路 提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。 4. 辅助电源 实现电源的软件(远程)启动，为保护电路和控制电路(PWM等芯片)工作供电。   三.开关电源的工作原理 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关元件以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关无件接通时输入电源Vi通过开关S和滤波电路向负载RL提供能量，当开关S断开时，电路中的储能装置(L1、C2、二极管D组成的电路)向负载RL释放在开关接通时所储存的能量，使负载得到连续而稳定的能量。 VO=TON/T*Vi VO 为负载两端的电压平均值 TON 为开关每次接通的时间 T 为开关通断的工作周期   由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，VO间电压平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便使输出电压VO维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”(TimeRationControl,缩写为TRC)。 按TRC控制原理，有三种方式： 1. 脉冲宽度调制(PulseWithModulation,缩写为PWM) 开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。 2. 脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation,缩写为PFM) 导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。 3. 混合调制 导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。 四.开关电源的维修技巧和常见故障 1.维修技巧 开关电源的维修可分为两步进行： 断电情况下，“看、闻、问、量” 看：打开电源的外壳，检查保险丝是否熔断，再观察电源的内部情况，如果发现电源的PCB板上有烧焦处或元件破裂，则应重点检查此处元件及相关电路元件。 闻：闻一下电源内部是否有糊味，检查是否有烧焦的元器件。 问：问一下电源损坏的经过，是否对电源进行违规操作。 量：没通电前，用万用表量一下高压电容两端的电压先。如果是开关电源不起振或开关管开路引起的故障，则大多数情况下，高压滤波电容两端的电压未泄放悼，此电压有300多伏，需小心。用万用表测量AC电源线两端的正反向电阻及电容器充电情况，电阻值不应过低，否则电源内部可能存在短路。电容器应能充放电。脱开负载，分别测量各组输出端的对地电阻，正常时，表针应有电容器充放电摆动，最后指示的应为该路的泄放电阻的阻值。 加电检测 通电后观察电源是否有烧保险及个别元件冒烟等现象，若有要及时切断供电进行检修。 测量高压滤波电容两端有无300伏输出，若无应重点查整流二极管、滤波电容等。 测量高频变压器次级线圈有无输出，若无应重点查开关管是否损坏，是否起振，保护电路是否动作等，若有则应重点检查各输出侧的整流二极管、滤波电容、三通稳压管等。 如果电源启动一下就停止，则该电源处于保护状态下，可直接测量PWM芯片保护输入脚的电压，如果电压超出规定值，则说明电源处于保护状态下，应重点检查产生保护的原因。 2.常见故障 保险丝熔断 一般情况下，保险丝熔断说明电源的内部线路有问题。由于电源工作在高电压、大电流的状态下，电网电压的波动、浪涌都会引起电源内电流瞬间增大而使保险丝熔断。重点应检查电源输入端的整流二极管，高压滤波电解电容，逆变功率开关管等，检查一下这此元器件有无击穿、开路、损坏等。如果确实是保险丝熔断，应该首先查看电路板上的各个元件，看这些元件的外表有没有被烧糊，有没有电解液溢出，如果没有发现上述情况，则用万用表测量开关管有无击穿短路。需要特别注意的是：切不可在查出某元件损坏时，更换后直接开机，这样很有可能由于其它高压元件仍有故障又将更换的元件损坏，一定要对上述电路的所有高压元件进行全面检查测量后，才能彻底排除保险丝熔断的故障。 无直流电压输出或电压输出不稳定 如果保险丝是完好的，在有负载情况下，各级直流电压无输出。这种情况主要是以下原因造成的：电源中出现开路、短路现象，过压、过流保护电路出现故障，辅助电源故障，振荡电路没有工作，电源负载过重，高频整流滤波电路中整流二极管被击穿，滤波电容漏电等。在用万用表测量次级元件，排除了高频整流二极管击穿、负载短路的情况后，如果这时输出为零，则可以肯定是电源的控制电路出了故障。若有部分电压输出说明前级电路工作正常，故障出在高频整流滤波电路中。高频滤波电路主要由整流二极管及低压滤波电容组成直流电压输出，其中整流二极管击穿会使该电路无电压输出，滤波电容漏电会造成输出电压不稳等故障。用万用表静态测量对应元件即可检查出其损坏的元件。例：某一24伏直流电机供电电源通电后无直流24伏输出，拆开电源外壳，观察保险丝未烧断且电路板无明显的烧焦处或破裂元件，在未通电情况下量AC输入端阻值和DC输出端阻值正常，量开关管、整流桥、整流管等重要元件正常，故判断不存在内部严重短路的可能，估计保护电路动作。经检查此开关电源采用U3842 PWM控制芯片，经查找相关的资料得知，当U3842芯片的3端电压高于1伏时，内部电流敏感比较器输出高电平，将PWM锁存器复位使输出关闭。通电测量U3842的3端高于1伏，6端无输出，经检查相关电路，发现稳压管D2击穿，如图3，故PC1导通，致使U3842的3端为高电平，故6端无输出，开关管不工作，直流侧无直流输出。更换同型号稳压管D2，故障解除。   电源负载能力差 电源负载能力差是一个常见的故障，一般都是出现在老式或工作时间长的电源中，主要原因是各元器件老化，开关管的工作不稳定，没有及时进行散热等。应重点检查稳压二极管是否发热漏电，整流二极管损坏、高压滤波电容损坏等。例：我厂近红处激光光谱仪(VECTOR 22)，开机后无法完成自检并报警且主板指示灯不断闪烁。经检查，供光谱仪主板的直流5V电源仅剩2.3伏左右，脱开5V直流电源的负载，通电再次测量5V直流电源，这时则有5V，初步判断此5V直流电源带载能力差，拆开电源外壳进行检修，由于没有带负载时，通电有直流5V输出，故重点检查次级线圈侧的输出整流电路，给5伏电源接上假负载通电进行测量发现三通稳压7805的1、2脚之间电压为5.2伏，2、3脚之间却剩2.3伏，如图4，故判断三通稳压管7805性能变坏，更换三通稳压管7805故障解决。   五.结束语 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。作为设备维护专业人员，有必要了解开关电源的基本工作原理，掌握其维修技能，熟悉其常见故障，这样才有利于减少电子设备的维修费用，缩短其故障维修时间，提高自身技能水平。