黃金萍

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519000）

隨著電子產(chǎn)品向小型化和節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，采用開(kāi)關(guān)電源供電是電子產(chǎn)品的一大變革，開(kāi)關(guān)電源由于其功耗低、效率高、體積小、重量輕，成為穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子產(chǎn)品中。

1 典型開(kāi)關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)

典型開(kāi)關(guān)電源通常由輸入抗電磁干擾（EMI）濾波器、工頻整流濾波電路，功率變換電路、PWM控制器，高頻整流濾波電路、電壓反饋電路以及輔助電路等組成，其組成如圖1所示。

圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖

1.1 EMI濾波器

在AC／DC變換器中，EMI濾波器用以隔離電網(wǎng)與開(kāi)關(guān)電源之間的射頻干擾，起著雙向?yàn)V波的作用，一方面對(duì)輸入交流電網(wǎng)中的電磁噪聲及干擾進(jìn)行抑制，防止進(jìn)入直流側(cè)；另一方面也防止直流側(cè)的高頻雜波回饋到交流電網(wǎng)。EMI濾波器的典型電路如圖2所示。C3、L1、C4構(gòu)成雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)，是EMI的主體，其中L1為共模電感，一般為10～30mH，可抑制電網(wǎng)的共模干擾；C3、C4為差模濾波電容，可濾除電網(wǎng)的尖峰電壓；C1、C2為安全電容，兩電容串聯(lián)后中點(diǎn)接大地，具有濾除電網(wǎng)差模和共模干擾的雙重作用。EMI的選擇與設(shè)計(jì)取決于開(kāi)關(guān)電源的功率。

圖2 典型電路圖

1.2 工頻整流濾波電路

工頻整流濾波電路通常采用橋式整流電容濾波的形式。在開(kāi)關(guān)電源中，考慮設(shè)備的通用性，交流輸入電壓的范圍通常在100～115V或85～265V，濾波電容上是有紋波的直流電壓，該電壓的最大值為交流電壓有效值的倍，其最小值與交流電壓的最低值有關(guān)。濾波電容的容量增大，會(huì)增大電容的成本，紋波的減小并不很明顯，但更低的容量會(huì)增大紋波電壓。當(dāng)交流電壓為220V時(shí)，經(jīng)橋式整流電容濾波得到約300V左右的直流電壓。

1.3 功率變換電路

功率變換電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)振蕩電路，是開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵部分，主要包括：開(kāi)關(guān)管、啟動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)變壓器、正反饋網(wǎng)絡(luò)，其中開(kāi)關(guān)管是功率變換器的核心部件。根據(jù)開(kāi)關(guān)管的連接方式不同，開(kāi)關(guān)電源可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、變壓器式三種類(lèi)型，由于變壓器式開(kāi)關(guān)電源可同時(shí)輸出多組不同大小和極性的電壓，只需要改變開(kāi)關(guān)變壓器的匝數(shù)和漆包線(xiàn)截面積的大小即可方便地改變輸出電壓和電流的大小，因而被廣泛應(yīng)用。反激式開(kāi)關(guān)電源的功率變換器如圖3所示，開(kāi)關(guān)管通過(guò)啟動(dòng)電路（圖中未畫(huà)出）、正反饋、PWM控制實(shí)現(xiàn)高頻振蕩，并通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器輸出高頻脈沖電壓，完成直流—交流變換。

圖3 功率變換電路圖

1.4 PWM控制器

開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)管的控制方式有脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）和混合調(diào)制三種，其中，PWM方式具有固定開(kāi)關(guān)頻率，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此，應(yīng)用最為普遍。目前，開(kāi)關(guān)電源大多采用PWM控制方式，眾多廠家已將PWM控制器設(shè)計(jì)成集成模塊，以方便用戶(hù)選擇。

PWM控制電路的典型結(jié)構(gòu)有三種，一是自激振蕩型PWM控制電路，該電路通過(guò)啟動(dòng)電阻，利用正反饋使開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生高頻自激振蕩，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，一般應(yīng)用于小功率的反激式開(kāi)關(guān)電源中，例如各種電器設(shè)備的待機(jī)電源、手機(jī)充電器等；二是單片集成PWM控制模塊，典型型號(hào)如 TL494、KA7500、SG3525、UC3842／3／4／5系列等，單片集成PWM控制模塊具有集成度高、外圍電路簡(jiǎn)單，能構(gòu)成高效率無(wú)工頻變壓器的隔離式開(kāi)關(guān)電源等優(yōu)點(diǎn)，目前在中、小功率開(kāi)關(guān)電源、精密開(kāi)關(guān)電源、特種電源以及電源模塊中廣泛應(yīng)用，如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、DVD、LED電源等；三是單片開(kāi)關(guān)電源，即將PWM控制、功率開(kāi)關(guān)管（MOSFET）、保護(hù)電路等集成在芯片中，通過(guò)高頻變壓器即可實(shí)現(xiàn)直流輸出端與電網(wǎng)完全隔離，外部只需配套整流濾波器、高頻變壓器、漏極鉗位保護(hù)電路、反饋電路、輸出電路，即可構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源，典型型號(hào)有TOPSwitch－Ⅱ系列三端芯片、TinySwitch四端芯片。廣泛應(yīng)用于家用電器的輔助電源、便攜式充電器等大功率電器。

1.5 高頻整流濾波電路

高頻整流濾波電路用于AC／DC或DC／DC變換器的輸出端，其工作頻率與開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)管的工作頻率相同，典型的高頻整流濾波電路如圖4所示。反激式開(kāi)關(guān)電源的高頻整流濾波電路較簡(jiǎn)單，但整流二極管承受的沖擊電流較大，電流紋波較大，可適當(dāng)加大濾波電容的容量。正激式開(kāi)關(guān)電源的高頻整流濾波電路必須串聯(lián)濾波電感和續(xù)流二極管，濾波電感的大小直接影響整流二極管和續(xù)流二極管的沖擊電流，電感量越大，沖擊電流就小。推挽式開(kāi)關(guān)電源也屬于正激式開(kāi)關(guān)電源，其高頻整流濾波電路原理與正激式基本相同，只是整流二極管同時(shí)承擔(dān)整流和續(xù)流作用。

圖4 典型高頻整流濾波電路圖

1.6 輸出電壓反饋電路

輸出電壓反饋電路是所有開(kāi)關(guān)電源都具有的電路。在輸入與輸出不需要電氣隔離的場(chǎng)合，可直接利用電阻分壓得到反饋電壓，這種方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，PWM控制器由輸入電源供電，成本最低，穩(wěn)壓性能也很好，缺點(diǎn)是輸出與輸入必須有公共參考地，適用于非隔離式DC／DC變換器中。在輸入與輸出需要電氣隔離的場(chǎng)合，可在開(kāi)關(guān)變壓器增加反饋繞組，從反饋繞組獲取電壓反饋信號(hào)，這種方式適用于反激式開(kāi)關(guān)電源，其電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但由于是間接穩(wěn)壓，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)，輸出繞組的直流電阻產(chǎn)生的壓降不會(huì)反映到反饋電路中，因此其負(fù)載調(diào)整數(shù)率差，適用于輸出電流比較穩(wěn)定或者對(duì)輸出電壓精度要求不高的電路。也可采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離引入反饋。

1.7 輔助電路

開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)還需一些輔助電路才能正?？煽康毓ぷ?，有些輔助電路包含在主電路環(huán)節(jié)中，這里介紹開(kāi)關(guān)電源中的常用輔助電路。

1.7.1 尖峰電壓吸收電路

尖峰電壓吸收電路是反激式開(kāi)關(guān)電源必須的輔助電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通變成截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由于高頻變壓器存在漏感，在一次繞組上會(huì)產(chǎn)生尖峰感應(yīng)電壓，此電壓與直流輸入電壓疊加后加到開(kāi)關(guān)管MOSFET的漏極，很容易損壞開(kāi)關(guān)管，為此，必須加以保護(hù)，常見(jiàn)的尖峰電壓吸收電路如圖5所示。吸收電路可并聯(lián)在高頻變壓器的一次繞組上，也可以連接在功率MOSFET的漏極與地線(xiàn)之間。緩沖吸收電路和鉗位電路具有不同的功能，（a）圖緩沖電路用于降低尖峰電壓幅度和減小電壓波形的變化率，有利于功率開(kāi)關(guān)管工作在安全區(qū)。（b）圖鉗位電路僅用于降低尖峰電壓幅度，防止功率開(kāi)關(guān)管因過(guò)壓而造成雪崩擊穿。（c）圖軟鉗位電路的參數(shù)選擇合理時(shí)，可以同時(shí)起到鉗位和緩沖的作用。

圖5 尖峰電壓吸收電路圖

1.7.2 保護(hù)電路

開(kāi)關(guān)電源中一般設(shè)有完善的保護(hù)電路，如過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)，其保護(hù)方式主要是當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)流或過(guò)壓時(shí)使電路停振，達(dá)到保護(hù)的目的。

過(guò)流保護(hù)電路一般在MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極串聯(lián)一個(gè)小阻值的電阻，作為過(guò)流檢測(cè)元件，當(dāng)開(kāi)關(guān)管電流過(guò)大時(shí)，電阻上的電壓增大，此電壓以控制電路，使振蕩電路停振，從而保護(hù)電路中的相關(guān)元件不至于損壞。

開(kāi)關(guān)電源的過(guò)電壓保護(hù)包括輸入過(guò)電壓和輸出過(guò)電壓保護(hù)。其中，輸入過(guò)電壓又分浪涌過(guò)電壓和電源電壓過(guò)高兩種情況。對(duì)浪涌過(guò)電壓一般在交流電源的進(jìn)線(xiàn)端串聯(lián)熔斷絲和并聯(lián)壓敏電阻進(jìn)行保護(hù)。對(duì)電源電壓過(guò)高的保護(hù)一般是在輸入整流濾波之后加入電壓檢測(cè)電路，當(dāng)直流高壓過(guò)高時(shí)，使電路停止工作，以保護(hù)功率開(kāi)關(guān)管不會(huì)因過(guò)高電壓而損壞?，F(xiàn)在有些單片開(kāi)關(guān)電源本身就具有過(guò)壓保護(hù)功能。輸出過(guò)電壓會(huì)直接造成負(fù)載電路的損壞，所以，過(guò)壓保護(hù)的取樣點(diǎn)一般在穩(wěn)壓電源的輸出端上，當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí)觸發(fā)控制電路使開(kāi)關(guān)電路停振，從而起到保護(hù)電路的作用。

此外，開(kāi)關(guān)電源的輔助電路還有過(guò)熱保護(hù)電路、尖峰電流抑制電路、功率因數(shù)校正電路等，根據(jù)設(shè)備對(duì)電源的要求和應(yīng)用環(huán)境增設(shè)相應(yīng)的電路。

2 開(kāi)關(guān)電源的主要故障及分析

開(kāi)關(guān)電源一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致設(shè)備不通電，無(wú)法工作，因此，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，要首先檢查開(kāi)關(guān)電源是否正常，若確定故障在電源部分，可通過(guò)對(duì)電源電路中各關(guān)鍵點(diǎn)的檢測(cè)來(lái)判斷電源故障所在部位。

2.1 工頻整流濾波電路的檢測(cè)與故障分析

工頻整流濾波電路的濾波電容上的電壓正常值一般在300V左右，在檢測(cè)這部分電路時(shí)，應(yīng)注意兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一個(gè)是整流前的電路如保險(xiǎn)絲或限流保護(hù)電阻是否正常，當(dāng)保險(xiǎn)絲或保護(hù)電阻燒壞時(shí)，不要輕易更換試機(jī)。首先要判斷燒壞的原因，是否有負(fù)載短路，尤其是開(kāi)關(guān)管擊穿，更換開(kāi)關(guān)管前還應(yīng)檢測(cè)其外圍元件是否損壞，檢查無(wú)誤后才能進(jìn)行更換。另一個(gè)是檢測(cè)濾波電容器兩端電壓，正常情況時(shí)應(yīng)為300V左右。該點(diǎn)電壓是否正常是決定振蕩電路正常工作的首要條件。

2.2 振蕩電路關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)與故障分析

振蕩電路故障是檢修的難點(diǎn)，首先要判斷是無(wú)電壓輸出還是被保護(hù)電路保護(hù)而導(dǎo)致無(wú)電壓輸出。檢測(cè)方法是：先將負(fù)載斷開(kāi)，在開(kāi)關(guān)電源輸出端接一假負(fù)載（可用220V60 W燈泡代替），交流電源輸入端接調(diào)壓器，以便與電網(wǎng)電氣隔離。采用低電壓供電方式，將開(kāi)關(guān)電源通電，逐漸調(diào)節(jié)調(diào)壓器使交流電壓慢慢增加，此時(shí)檢測(cè)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓，觀察輸出電壓的變化，若輸出電壓為零，說(shuō)明振蕩電路停振，可進(jìn)行振蕩電路和保護(hù)的檢測(cè)；若輸出電壓隨調(diào)壓器電壓升高而變化且在規(guī)定的輸出電壓值不能穩(wěn)定，則說(shuō)明穩(wěn)壓電路故障，可對(duì)穩(wěn)壓電路進(jìn)行檢測(cè)。

檢測(cè)振蕩電路故障應(yīng)把握三點(diǎn)：①啟動(dòng)電路故障，該電路一般是將300V電壓經(jīng)啟動(dòng)電阻接到開(kāi)關(guān)管的基極，提供啟動(dòng)電壓，阻值不正常會(huì)引起故障。②開(kāi)關(guān)管損壞導(dǎo)至故障，可檢測(cè)開(kāi)關(guān)管各極的電壓，但必須注意的是，若開(kāi)關(guān)管是MOSFET時(shí)，不要輕易檢測(cè)柵極電壓，以免損壞開(kāi)關(guān)管。③反饋網(wǎng)絡(luò)故障，正反饋網(wǎng)絡(luò)從高頻變壓器輸出端取反饋電壓，通過(guò)PWM電路控制開(kāi)關(guān)管，也是故障的多發(fā)點(diǎn)。

2.3 穩(wěn)壓電路故障分析

開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓電路包括取樣電路、基準(zhǔn)電壓、比較電路和脈沖調(diào)制電路，若出現(xiàn)故障，將導(dǎo)至開(kāi)關(guān)電源保護(hù)或損壞，可通過(guò)檢測(cè)直流輸出電壓來(lái)判斷故障部位。穩(wěn)壓電路故障分析應(yīng)把握兩點(diǎn)：①若直流輸出電壓升高，一般故障在穩(wěn)壓控制電路部分；②若直流輸出電壓降低，故障可能在電源本身或因負(fù)載過(guò)流造成的輸出電壓降低。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)在不斷改進(jìn)，但仍存在一些問(wèn)題，如電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故障率較高，制作與調(diào)試難度大，維修麻煩，因此，造價(jià)成本仍較高。