王澄睿

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

1 前言

機(jī)電設(shè)備作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的重要組成部分，得到人們?cè)絹?lái)越多的重視。電源作為機(jī)電設(shè)備的核心電力供給，其質(zhì)量好壞直接影響整個(gè)機(jī)電設(shè)備的可靠性。

因單片開(kāi)關(guān)電源具有輸出穩(wěn)定、保護(hù)全面、功耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于機(jī)電設(shè)備供電電源中。但由于其體積小、頻率高、元器件相對(duì)較多，所以發(fā)生故障的概率也相對(duì)較高。

單片開(kāi)關(guān)電源一旦發(fā)生故障，由于開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在維修過(guò)程中大多缺少技術(shù)圖紙，給故障定位及維修工作帶來(lái)諸多不便。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文從機(jī)電設(shè)備常用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)思路出發(fā)，介紹其主要電路組成結(jié)構(gòu)和工作原理。在此基礎(chǔ)上，對(duì)單片開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行故障類型分類，并以flyback（反激式）開(kāi)關(guān)電源為例，詳細(xì)闡述單片開(kāi)關(guān)電源故障定位及維修維護(hù)方法，可有效提高相關(guān)技術(shù)人員的電源維修效率。

2 機(jī)電設(shè)備常用開(kāi)關(guān)電源工作原理分析

2.1 開(kāi)關(guān)電源主要組成結(jié)構(gòu)

一般而言，機(jī)電設(shè)備單片開(kāi)關(guān)電源由輸入整流濾波電路、高頻功率變換電路（DC/DC Converter）、脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制電路、輸出濾波電路四個(gè)部分組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)電設(shè)備單片開(kāi)關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)

（1）輸入整流濾波電路可將電源輸入交流電轉(zhuǎn)換為較為平滑的脈動(dòng)直流電。

（2）高頻功率變換電路可將前級(jí)電路中直流電斬波變換成所需特性的方波。

（3）輸出濾波電路可對(duì)前級(jí)變換方波進(jìn)行濾波，使其輸出所需直流電。

（4）脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制電路可對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋，通過(guò)調(diào)整PWM波占空比的方式調(diào)節(jié)輸出電壓，使其穩(wěn)定輸出所需直流電。

2.2 常見(jiàn)單片開(kāi)關(guān)電源工作原理

單片開(kāi)關(guān)電源主要是利用開(kāi)關(guān)器件（BJT、MOSFET、IGBT等）的開(kāi)關(guān)特性，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件的占空比來(lái)對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓。

由于flyback（反激式）單片開(kāi)關(guān)電源具有隔離特性，常使用于機(jī)電設(shè)備小功率電源場(chǎng)合。故本文以flyback（反激式）單片開(kāi)關(guān)電源為例，介紹其主要工作原理。flyback（反激式）單片開(kāi)關(guān)電源基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 flyback開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2（a）所示反激式開(kāi)關(guān)電源拓?fù)鋱D。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電源輸入端為變壓器提供能量，輸入電壓加在原邊電感LP上，原邊電流IP逐漸增大，并以電感的形式儲(chǔ)存能量。由于變壓器原、副邊的同名端繞制方向相反，所以此時(shí)副邊NS電壓極性為下正上負(fù)，使VD1截止。此時(shí)輸出電容CO向負(fù)載放電，負(fù)載電流為IO。

如圖2（b）所示反激式開(kāi)關(guān)電源拓?fù)鋱D。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊繞組電流突然中斷，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，此時(shí)變壓器原邊NP將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其極性為下正上負(fù)，通過(guò)VD2和VZ形成回路。同時(shí)，副邊NS產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其極性為上正下負(fù)，使VD1導(dǎo)通產(chǎn)生電流IS，IS向輸出電容和負(fù)載供電。

由于此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)向負(fù)載提供能量，所以將其命名為flyback（反激式）開(kāi)關(guān)電源。此外，flyback（反激式）開(kāi)關(guān)電源可以通過(guò)改變變壓器匝比的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)升降壓變換。

3 機(jī)電設(shè)備常用開(kāi)關(guān)電源故障分析方法

3.1 單片開(kāi)關(guān)電源故障分類

根據(jù)單片開(kāi)關(guān)電源故障特點(diǎn)可將其劃分為兩大類：突發(fā)性故障與漸進(jìn)性故障。

突發(fā)性故障是由于系統(tǒng)外部因素對(duì)電源系統(tǒng)沖擊產(chǎn)生，該類故障發(fā)生前征兆不明顯，且無(wú)固定發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)生時(shí)常表現(xiàn)為系統(tǒng)直接崩潰。

漸進(jìn)性故障是由于系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)逐漸退化產(chǎn)生，該類故障發(fā)生前常表現(xiàn)為系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，帶載能力較差，隨著后續(xù)使用逐步發(fā)展為系統(tǒng)崩潰。

3.2 單片開(kāi)關(guān)電源故障處理

在對(duì)單片開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行故障處理時(shí)，首先需要根據(jù)開(kāi)關(guān)電源實(shí)際功率值和電源PCB板電路結(jié)構(gòu)判斷所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。機(jī)電設(shè)備常見(jiàn)單片開(kāi)關(guān)電源不同功率等級(jí)應(yīng)用范圍如圖3所示。

圖3 機(jī)電設(shè)備常見(jiàn)單片開(kāi)關(guān)電源功率等級(jí)應(yīng)用范圍

下文將以flyback（反激式）單片開(kāi)關(guān)電源為例，分步詳細(xì)介紹不同狀態(tài)下單片開(kāi)關(guān)電源維修判斷方法。

（1）斷電狀態(tài)測(cè)試。確認(rèn)電源功率等級(jí)及拓?fù)浞绞胶?，下一步判斷故障原因是否為因突發(fā)性故障造成主拓?fù)浠芈菲骷惺苓^(guò)大應(yīng)力直接損壞。在斷電狀態(tài)下，可根據(jù)表1所列方法進(jìn)行故障判斷。

（2）通電狀態(tài)測(cè)試。在斷電狀態(tài)下，可初步判斷單片開(kāi)關(guān)電源損壞器件并進(jìn)行替換。但確認(rèn)單片開(kāi)關(guān)電源是否修好，還需對(duì)單片開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行通電測(cè)試。單片開(kāi)關(guān)電源上電后，測(cè)試電源輸出是否正常，如此時(shí)電源輸出異常，則需從設(shè)計(jì)思路出發(fā)，判斷具體故障回路。

首先，需要將主回路與控制回路斷開(kāi)，單獨(dú)對(duì)控制回路進(jìn)行上電，判斷控制回路產(chǎn)生的鋸齒波是否正常（圖4）。

圖4 控制回路單獨(dú)上電鋸齒波

判斷方法 判斷操作流程問(wèn) 詢問(wèn)操作者機(jī)電設(shè)備電源損壞的過(guò)程。在損壞之前設(shè)備有無(wú)出現(xiàn)異常，如頻繁啟停、過(guò)載、冒煙等聞打開(kāi)電源外殼，聞電源內(nèi)部是否有元器件燒焦的糊味。以此判斷是否是由于元器件雪崩擊穿造成電源系統(tǒng)故障望查看單片開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部器件是否出現(xiàn)明顯損壞。如保險(xiǎn)絲熔斷，二極管、三極管外殼開(kāi)裂等器件直接損壞故障測(cè)在斷電狀態(tài)下，針對(duì)元器件特性使用萬(wàn)用表初步判斷器件是否損壞。如二極管單向?qū)?、功率電阻阻值等參?shù)

如此時(shí)控制回路產(chǎn)生的鋸齒波異常，則需判斷控制芯片是否損壞，進(jìn)行控制電路測(cè)試維修。

確定控制回路輸出正常后，從交換節(jié)點(diǎn)處將主拓?fù)浠芈贩譃閮刹糠?，測(cè)試圖5所示主拓?fù)浠芈非岸溯斎腚妷篤IN是否正常。

圖5 主拓?fù)銿IN輸入電壓波形

如此時(shí)主拓?fù)浠芈非岸溯斎腚妷篤IN異常，則需判斷前級(jí)整流二極管等元器件是否損壞，進(jìn)行前級(jí)整流濾波電路測(cè)試維修。

確定主拓?fù)淝岸溯斎腚妷篤IN正常后，將單片開(kāi)關(guān)電源主拓?fù)浠芈放c控制回路連接，進(jìn)行上電測(cè)試，此時(shí)監(jiān)測(cè)圖6所示電源交換節(jié)點(diǎn)VSW處波形是否正常。

圖6 交換節(jié)點(diǎn)VSW波形

如此時(shí)交換節(jié)點(diǎn)VSW處波形異常，則需判斷開(kāi)關(guān)管及鉗位電路等元器件是否損壞，進(jìn)行功率變換電路測(cè)試維修。

確定輸出電壓VSW正常后。此時(shí)監(jiān)測(cè)圖7所示電源輸出電壓VO波形是否正常。

圖7 輸出電壓VO波形

如此時(shí)輸出電壓VO波形異常，則需判斷后級(jí)濾波電路及反饋側(cè)元器件是否損壞，進(jìn)行后級(jí)濾波電路測(cè)試維修。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了機(jī)電設(shè)備單片開(kāi)關(guān)電源主要組成結(jié)構(gòu)及工作原理。在此基礎(chǔ)上，介紹了單片開(kāi)關(guān)電源故障分類方法，并從設(shè)計(jì)思路出發(fā)，探究機(jī)電設(shè)備單片開(kāi)關(guān)電源故障判斷與維修方法。

本文以flyback（反激式）單片開(kāi)關(guān)電源為例，分步闡述斷電狀態(tài)和通電狀態(tài)下故障維修方法。通過(guò)斷電狀態(tài)測(cè)試，可排查因承受過(guò)大應(yīng)力直接損壞的器件，進(jìn)行初步故障判斷維修；通過(guò)通電狀態(tài)測(cè)試，逐步監(jiān)測(cè)圖1所示機(jī)電設(shè)備單片開(kāi)關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)中各功能模塊電路運(yùn)行狀態(tài)，全方位有條理的進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)維修，可有效提高機(jī)電設(shè)備單片開(kāi)關(guān)電源故障維修效率。