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全面放送:開關(guān)電源的工作原理和常見故障

發(fā)布時(shí)間:2015-01-13 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】作為設(shè)備維護(hù)專業(yè)人員,有必要了解開關(guān)電源的基本工作原理,熟悉其常見故障,掌握其維修技能,這樣才有利于減少電子設(shè)備。本文為大家全面介紹開關(guān)電源的工作原理和常見故障。
 
各種電子設(shè)備必不可缺的組成部分,其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。由于開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài),功耗小,轉(zhuǎn)化率高,且體積和重量只有線性電源的20%—30%,故目前它已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。電子設(shè)備電氣故障的檢修,本著從易到難的原則,基本上都是先從電源入手,在確定其電源正常后,再進(jìn)行其他部位的檢修,且電源故障占電子設(shè)備電氣故障的大多數(shù)。故了解開頭電源基本工作原理,熟悉其維修技巧和常見故障,有利于縮短電子設(shè)備故障維修時(shí)間,提高個(gè)人設(shè)備維護(hù)技能。 
 
一.開關(guān)電源的組成
 
開關(guān)電源大至由主電路、控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源四大部份組成,見圖1。
 
1. 主電路
 
沖擊電流限幅:限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。
輸入濾波器:其作用是過(guò)濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。
整流與濾波:將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。
逆變:將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電,這是高頻開關(guān)電源的核心部分。
輸出整流與濾波:根據(jù)負(fù)載需要,提供穩(wěn)定可靠的直流電源。
 
2. 控制電路
 
一方面從輸出端取樣,與設(shè)定值進(jìn)行比較,然后去控制逆變器,改變其脈寬或脈頻,使輸出穩(wěn)定,另一方面,根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù),經(jīng)保護(hù)電路鑒別,提供控制電路對(duì)電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。
 
3. 檢測(cè)電路
 
提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。
 
4. 輔助電源
 
實(shí)現(xiàn)電源的軟件(遠(yuǎn)程)啟動(dòng),為保護(hù)電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電。
 

圖1:輔助電源
 
二.開關(guān)電源的工作原理
 
開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件,通過(guò)周期性通斷開關(guān),控制開關(guān)元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。開關(guān)元件以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開,在開關(guān)無(wú)件接通時(shí)輸入電源Vi通過(guò)開關(guān)S和濾波電路向負(fù)載RL提供能量,當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí),電路中的儲(chǔ)能裝置(L1、C2、二極管D組成的電路)向負(fù)載RL釋放在開關(guān)接通時(shí)所儲(chǔ)存的能量,使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量。
 
VO=TON/T*Vi
VO   為負(fù)載兩端的電壓平均值
TON  為開關(guān)每次接通的時(shí)間
T   為開關(guān)通斷的工作周期
 
圖2:開關(guān)電源的工作原理
 
由式可知,改變開關(guān)接通時(shí)間和工作周期的比例,VO間電壓平均值也隨之改變,因此,隨著負(fù)載及輸入電源電壓的變化自動(dòng)調(diào)整TON和T的比例便使輸出電壓VO維持不變。改變接通時(shí)間TON和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比,這種方法稱為“時(shí)間比率控制”(TimeRationControl,縮寫為TRC)。
 
按TRC控制原理,有三種方式:
 
1.脈沖寬度調(diào)制(PulseWithModulation,縮寫為PWM)
 
開關(guān)周期恒定,通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變占空比的方式。
 
2.脈沖頻率調(diào)制(PulseFrequencyModulation,縮寫為PFM)
 
導(dǎo)通脈沖寬度恒定,通過(guò)改變開關(guān)工作頻率來(lái)改變占空比的方式。
 
3.混合調(diào)制
 
導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定,彼此都能改變的方式,它是以上二種方式的混合。
 
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三.開關(guān)電源的常見故障和維修技巧
 
1.常見故障
 
保險(xiǎn)絲熔斷
 
一般情況下,保險(xiǎn)絲熔斷說(shuō)明電源的內(nèi)部線路有問題。由于電源工作在高電壓、大電流的狀態(tài)下,電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、浪涌都會(huì)引起電源內(nèi)電流瞬間增大而使保險(xiǎn)絲熔斷。重點(diǎn)應(yīng)檢查電源輸入端的整流二極管,高壓濾波電解電容,逆變功率開關(guān)管等,檢查一下這此元器件有無(wú)擊穿、開路、損壞等。如果確實(shí)是保險(xiǎn)絲熔斷,應(yīng)該首先查看電路板上的各個(gè)元件,看這些元件的外表有沒有被燒糊,有沒有電解液溢出,如果沒有發(fā)現(xiàn)上述情況,則用萬(wàn)用表測(cè)量開關(guān)管有無(wú)擊穿短路。
 
需要特別注意的是:切不可在查出某元件損壞時(shí),更換后直接開機(jī),這樣很有可能由于其它高壓元件仍有故障又將更換的元件損壞,一定要對(duì)上述電路的所有高壓元件進(jìn)行全面檢查測(cè)量后,才能徹底排除保險(xiǎn)絲熔斷的故障。
 
無(wú)直流電壓輸出或電壓輸出不穩(wěn)定
 
如果保險(xiǎn)絲是完好的,在有負(fù)載情況下,各級(jí)直流電壓無(wú)輸出。這種情況主要是以下原因造成的:電源中出現(xiàn)開路、短路現(xiàn)象,過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路出現(xiàn)故障,輔助電源故障,振蕩電路沒有工作,電源負(fù)載過(guò)重,高頻整流濾波電路中整流二極管被擊穿,濾波電容漏電等。在用萬(wàn)用表測(cè)量次級(jí)元件,排除了高頻整流二極管擊穿、負(fù)載短路的情況后,如果這時(shí)輸出為零,則可以肯定是電源的控制電路出了故障。若有部分電壓輸出說(shuō)明前級(jí)電路工作正常,故障出在高頻整流濾波電路中。
 
高頻濾波電路主要由整流二極管及低壓濾波電容組成直流電壓輸出,其中整流二極管擊穿會(huì)使該電路無(wú)電壓輸出,濾波電容漏電會(huì)造成輸出電壓不穩(wěn)等故障。用萬(wàn)用表靜態(tài)測(cè)量對(duì)應(yīng)元件即可檢查出其損壞的元件。例:某一24伏直流電機(jī)供電電源通電后無(wú)直流24伏輸出 ,拆開電源外殼,觀察保險(xiǎn)絲未燒斷且電路板無(wú)明顯的燒焦處或破裂元件,在未通電情況下量AC輸入端阻值和DC輸出端阻值正常,量開關(guān)管、整流橋、整流管等重要元件正常,故判斷不存在內(nèi)部嚴(yán)重短路的可能,估計(jì)保護(hù)電路動(dòng)作。
 
經(jīng)檢查此開關(guān)電源采用U3842 PWM控制芯片,經(jīng)查找相關(guān)的資料得知,當(dāng)U3842芯片的3端電壓高于1伏時(shí),內(nèi)部電流敏感比較器輸出高電平,將PWM鎖存器復(fù)位使輸出關(guān)閉。通電測(cè)量U3842的3端高于1伏,6端無(wú)輸出,經(jīng)檢查相關(guān)電路,發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓管D2擊穿,如圖3,故PC1導(dǎo)通,致使U3842的3端為高電平,故6端無(wú)輸出,開關(guān)管不工作,直流側(cè)無(wú)直流輸出。更換同型號(hào)穩(wěn)壓管D2,故障解除。
 
圖3:無(wú)直流電壓輸出或電壓輸出不穩(wěn)定
 
電源負(fù)載能力差
 
電源負(fù)載能力差是一個(gè)常見的故障,一般都是出現(xiàn)在老式或工作時(shí)間長(zhǎng)的電源中,主要原因是各元器件老化,開關(guān)管的工作不穩(wěn)定,沒有及時(shí)進(jìn)行散熱等。應(yīng)重點(diǎn)檢查穩(wěn)壓二極管是否發(fā)熱漏電,整流二極管損壞、高壓濾波電容損壞等。例:我廠近紅處激光光譜儀(VECTOR 22),開機(jī)后無(wú)法完成自檢并報(bào)警且主板指示燈不斷閃爍。
 
經(jīng)檢查,供光譜儀主板的直流5V電源僅剩2.3伏左右,脫開5V直流電源的負(fù)載,通電再次測(cè)量5V直流電源,這時(shí)則有5V,初步判斷此5V直流電源帶載能力差,拆開電源外殼進(jìn)行檢修,由于沒有帶負(fù)載時(shí),通電有直流5V輸出,故重點(diǎn)檢查次級(jí)線圈側(cè)的輸出整流電路,給5伏電源接上假負(fù)載通電進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)三通穩(wěn)壓7805的1、2腳之間電壓為5.2伏,2、3腳之間卻剩2.3伏,如圖4,故判斷三通穩(wěn)壓管7805性能變壞,更換三通穩(wěn)壓管7805故障解決。
  
圖4:電源負(fù)載能力差
 
2.維修技巧
 
開關(guān)電源的維修可分為兩步進(jìn)行:
 
斷電情況下,“看、聞、問、量”
 
看:打開電源的外殼,檢查保險(xiǎn)絲是否熔斷,再觀察電源的內(nèi)部情況,如果發(fā)現(xiàn)電源的PCB板上有燒焦處或元件破裂,則應(yīng)重點(diǎn)檢查此處元件及相關(guān)電路元件。資產(chǎn)管理
 
聞:聞一下電源內(nèi)部是否有糊味,檢查是否有燒焦的元器件。
 
問:?jiǎn)栆幌码娫磽p壞的經(jīng)過(guò),是否對(duì)電源進(jìn)行違規(guī)操作。
 
量:沒通電前,用萬(wàn)用表量一下高壓電容兩端的電壓先。如果是開關(guān)電源不起振或開關(guān)管開路引起的故障,則大多數(shù)情況下,高壓濾波電容兩端的電壓未泄放悼,此電壓有300多伏,需小心。用萬(wàn)用表測(cè)量AC電源線兩端的正反向電阻及電容器充電情況,電阻值不應(yīng)過(guò)低,否則電源內(nèi)部可能存在短路。電容器應(yīng)能充放電。脫開負(fù)載,分別測(cè)量各組輸出端的對(duì)地電阻,正常時(shí),表針應(yīng)有電容器充放電擺動(dòng),最后指示的應(yīng)為該路的泄放電阻的阻值。
 
加電檢測(cè)
 
通電后觀察電源是否有燒保險(xiǎn)及個(gè)別元件冒煙等現(xiàn)象,若有要及時(shí)切斷供電進(jìn)行檢修。
 
測(cè)量高壓濾波電容兩端有無(wú)300伏輸出,若無(wú)應(yīng)重點(diǎn)查整流二極管、濾波電容等。
 
測(cè)量高頻變壓器次級(jí)線圈有無(wú)輸出,若無(wú)應(yīng)重點(diǎn)查開關(guān)管是否損壞,是否起振,保護(hù)電路是否動(dòng)作等,若有則應(yīng)重點(diǎn)檢查各輸出側(cè)的整流二極管、濾波電容、三通穩(wěn)壓管等。
 
如果電源啟動(dòng)一下就停止,則該電源處于保護(hù)狀態(tài)下,可直接測(cè)量PWM芯片保護(hù)輸入腳的電壓,如果電壓超出規(guī)定值,則說(shuō)明電源處于保護(hù)狀態(tài)下,應(yīng)重點(diǎn)檢查產(chǎn)生保護(hù)的原因。
 
結(jié)束語(yǔ)
 
目前,開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。作為設(shè)備維護(hù)專業(yè)人員,有必要了解開關(guān)電源的基本工作原理,掌握其維修技能,熟悉其常見故障,這樣才有利于減少電子設(shè)備。
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