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开关电源的工作原理与故障维修方法

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开关电源的工作原理与故障维修方法

发布日期:2016-03-28 00:00 来源:http://www.woodfeed.com 点击:

开关电源与线性电源相比,具有输出电压稳定可靠,稳压范围宽、保护全面、功耗小、转换效率高等特点。所以有线电视设备电源多数用开关电源,如光发射机、光接收机、光放大器、数字卫星接收机、放大器、调制器等设备均采用开关电源。

  一、开关电源的组成及各部分作用
  开关电源主要由四部分组成,其方框图见图1。 

  

  输入电路由线路滤波器、浪涌电流抑制电路、整流滤波电路组成。线路滤波器作用是有效抑制外来干扰杂波从市电源线(220V或60V)进入开关电源电路;防止开关电源的高次谐波进入市电网中。浪涌电流抑制电路是降低尖锋电流、电压的幅度。保护电路主要是保护场效应开关管不被击穿。功率变换电路作用是实现变压、变频和完成电压调整任务,保证变压器输出能量平稳(即输出电压平稳)。功率变换电路是开关电源的核心部分。不同厂家、不同设备的开关电源,对这部分所设计的电路和所用的器件差别较大,有的设备使用16脚的脉宽调制集成块,有的采用8脚的脉宽调制集成块,有的使用脉宽调制管。有的电路设计较简单,有的电路设计较复杂些。输出电路作用是把高频变压器输出的电压进行整流、滤波输出平稳的直流电压。输出电压的数值和种类根据各种设备需要而定。如放大器的开关电源只输出24V或12V单种类直流电压值。数字卫星接收机的开关电源可输出33V、28V、29V、22V、18/14V、12V、5V、3.3V等多种类直流电压值。控制电路的作用是:当输入电压过高或由某种原因使电路中电流过大时,控制电路无输出控制信号,开关管关断,保证电路的主件不受损坏;根据采样电路的数据控制脉冲占空比,自动调整输出电压,保证输出直流电压平稳。

  二、开关电源工作原理
  开关电源电路图如图2所示。
  1 交流电源输入电路
  220V或60V交流电通过保险丝F和热敏电阻RT加到由L1、L2、L3、C1-C5组成的电源滤波器,可有效地把市电网中的高频成份滤除掉,防止外来高频干扰波进入开关电源。同时也抑制开关电源产生的高频波,以防止串入市电网。R1为避雷器,当遭雷击时将被击穿短路、保险丝将熔断,保护开关电源各器件不被击损。RT热敏电阻的特性是冷电阻小、热电阻大,当由某种原因输入电流增大时,热敏电阻发热阻值变大,阻止大电流进入开关电源电路中。

  

  D1-D4、C6-C8组成整流滤波电路,输出平稳直流各种电压值满足各设备所需。若输入交流电压为60V,滤波电容输出的直流电压在46-78V之间,若输入交流电压为220V,C8输出的直流电压可达300V左右。
  2 启动与功率转换电路
  整流后的直流电压一路经高频变压器B初级①—②绕组线圈加至开关管Q1(场效应管)的漏极D。另一路通过R6、R7、R8加至启动管Q5,Q5工作后T4管导通工作,三端稳压管Q6得到输入电压,三端稳压管Q6输出的直流电压经C12滤波后,向脉宽调制集成块Q4提供正常工作电压。Q4获得工作电压后,Q4输出脉宽调制电流,送入开关管Q1的G极,Q1工作后高频变压器B的反馈线圈③—④绕组输出电压,经T2、C10整流滤波后,通过T3向Q6提供输入直流电压(此时Q5因早已达到饱和截止状态,已不能向三端稳压管Q6提供输入电压)。三端稳压管输出电压又经过C12滤波后向脉宽调制集成块Q4提供工作电压。即电路正常工作后,Q4工作电压不再是由启动电路提供,而是由变压器③—④线圈绕组输出电压提供。
  当Q4获得正常工作电压后,Q4受控起振、振荡器的振荡频率范围为100HZ—500kHZ。振荡脉冲经整形及放大后由Q4⑥脚输出经R4加至开关管Q1的栅极G。控制Q1是处于导通状态还是处于截止状态。当Q4输出的脉冲为上升沿时,Q1处于导通状态,高频变压器B储存能量。当Q4输出的脉冲为下降沿时,Q1处于截止状态,此时高频变压器释放能量,在B的次级多绕组线圈中产生感应电动势。
  3 输出电路
  输出电路由B的次级绕组线圈⑤—⑥、⑦—⑧、⑨—⑩及T5—T10整流管和各滤波电容组成。
  变压器B的次级各绕组线圈产生的感应电压,由整流管整流后,经滤波电容器滤波组输出直流电压。各绕组输出不同值的直流电压供设备负载用。
  4 稳压控制过程
  基准稳压控制电路由取样电阻R13、R14,精密稳压集成电路Q2、光电耦合器Q3、B的次级、Q4组成。输出电路输出的24V直流电压经R12降压后加到取样电阻R13、R14两端。在R13、R14取得的取样电压,加至Q2的R端。12V直流电压经R10降压后加至光电耦合器Q3的①脚,Q3的②脚与Q2的K端相连结,如图2。稳压调控过程是:若由某种原因使输出的24V直流电压升高,在取样电阻R13、R14上降压升高,使Q2的R端的电位升高,导致Q2两端所加的电压下降(即使Q2的K端的电位下降),使接在Q3①—②脚内部的发光二级管亮度增强(或说电流增大),导致接在Q3③—④脚内部的光敏三级管c-e极间的内阻变小(即电流增大),Q3的④脚电位升高,Q4的①、②脚电位随着升高,经Q4内部的误差放大器与基准电压比较放大,产生误差电压加到Q4的PWM销存器,使振荡脉冲宽度减小,此脉冲信号经Q4的⑥脚输出控制开关管Q1,使Q1导通时间变短,导致变压器B初级①—②线组线圈存储能量下降,变压器B次级各绕组线圈感应电动势下降,输出直流电压下降,达到稳压的目的。
  当由某种原因使24V直流电压下降→R13上降压↓→Q2R端电位↓→Q3①—②脚电流↓→Q3的③—④脚输出电流↓→Q4输入电流(电压)↓→Q4内的振荡脉冲宽度↑→变压器B次级各绕组线圈产生感应电动势↑→输出直流电压↑,达到稳压目的。
  5 过压保护
  当输入交流电60V或220V电压升高,或稳压控制电路失控造成输出电压过高时,变压器B的辅助组③—④线圈上的电压升高,经T2、C10整流滤波后加至三端稳压管Q6,若超过稳压范围,输出电压升高,通过R8加到Q4的⑦脚电压也随之升高,超过起控电压后,使其Q4内部振荡电路停振,关断驱动脉冲输出,场效管Q1截止,无电压输出,达到了过压保护目的。
  6 过流保护
  ①输入保护由保险丝F和热敏电阻RT组成,其保护作用前面已谈过。
  ②过载或短路护。
  当过载或出现短路时,可引发Q1S极的电流增大,在R5上的降压增大,R5上的降压通过R7加到Q4的③脚。当加到Q4的③脚电压升高一定程度(不同型号Q4管所需电压值不同,若Q4为KA3842型号③脚电压高达1V左右时,Q4若为L6565型号管④脚电压高于2.2V时)时,Q4内部电路迫使振荡电路停振,无脉冲输出,Q1截止,无电压输出,起到过流保护作用。
  7 尖锋吸收电路
  由T1、R2、C9、B①—②绕组构成Q1D极的尖锋脉冲吸收电路。当Q1D极尖锋脉冲电压很高时,T1导通给R2、C9充放电,吸收了尖锋脉冲,防止开关管Q1在截止期间被反锋电压击穿损坏。

  三、故障排除
  因厂家不给电路原理图,故在检修开关电源之前,维修人员应简略画出各种设备的开关电源电路原理图。知道各种管脚的电压值。对输出多种电压值的开关电源一定要清楚每种电压值给设备哪一部分供电,这对检修大有益处。
  1 保险丝不熔断,无任何电压输出
  在检修这类故障时,应先检测输入交流电压是否正常,若无交流电压输入,应先排除交流电源故障。若输入交流电压正常:①检查保险丝与插座接触是否良好;②用三用表测量避雷管R1与热敏电阻RF是否断路。若正常,说明各种类电压输出的公共电路有断路点,电路因不起振而不工作或处于保护状态,而造成无直流电压输出。若通电检测,用三用表电压挡,从输入电路开始依次检测各元件、器件的电压值,至检测完功率变换电路止。如检测C8时无电压,说明前面电路有断路点,若C8电压正常,变压器B①—②绕组线圈可能有断路点。
  检测Q4的⑦脚(或C12两端电压)无电压,变压器B的③—④绕组线圈可能有断路点或稳压管Q6坏。起动电阻R6也有可能断路。造成Q4不工作,而无直流电压输出。
  检测Q4的⑥脚若无电压,说明Q4的振荡电路不工作或Q4管已损坏,而造成无直流电压输出。此时应测量R5(取样电阻)上的降压,若无电压说明R5断路,若电压正常,应更换Q4集成块。
  在排除此类故障时,可不通电,用三用表电阻挡,检测各元件是否断路。
  2 保险丝熔断、无电压输出
  通电开机后保险丝熔断,说明开关电源电路内有短路点。排除此类故障,首先断开电源,然后观看各元件,器件有无异常情况,如碳化发黑、断裂、电容器鼓包或电解液外溢等。发现有上述异常情况先更换之。若无异常情况,用三用表电阻挡从输入端开始依次向后检测各元件、器件的短路情况。应先重点检测R1、D1—D4、C6—C8、Q1、Q4、B①—②绕组线圈及输出电路的各滤波电容是否被击穿短路或某元件绝缘不好严重漏电。检查无问题或排除故障后,方可更换新保险丝进行通电观察开关电源工作情况。
  3 输出电压不稳
  各种输出电压偏高或偏低,说明开关电源的控制电路部分有故障或取样电源部分有故障。排除此类故障时首先检测电源取样电路,如图2,检测24V输出电路中的元件、器件工作是否正常,如滤波电容是否漏电,电阻阻值是否发生变化,三端稳压器是否正常。若均正常,测量取样电阻R13、R14上的降压值是否符合Q2管所要求的电压值(即是Q2R脚的电值)。若不符合,说明R13、R14或R12阻值发生变化或虚焊,若正常,再检测Q2K脚电位,若不正常说明Q2管坏更换之。若正常,测量Q3的①—②脚之间的电压,若不正常且偏离规定值比较大,说明R10、R15电阻阻值发生变化,应更换。若正常,测量Q3的③—④脚之间的电压值,若不正常,说明Q3管坏,更换。
  4 某一种电压值输出不正常
  若某一电压值输出不正常,其它电路输出电压值正常,说明只是有问题的输出电路的元件、器件有故障。若输出电压不稳波动较大,一般是滤波电容严重漏电造成。若无电压输出,是由电路中有断点造成。有短路点(如滤波电容被击穿短路)也可造成无直流电压输出,但短路会烧保险丝,其它输出电路也应无输出电压,故不用怀疑有短路点。
  5 由开关电源引起交流声干扰
  产生此类故障多是由输出电路中的滤波电容漏电和电介电容枯干,效能下降引起。有些设备的开关电源印刷板面积小,电介电容和电阻安装较集中,大功率电阻发热,在散热条件差些情况下,使电介电容在较短时间内枯干,导致输出电平下降,滤波效果差,纹波系数增加,造成画面上出现横道交流声干扰。在更换电容时应换上容量比原电容容量大些,并注意设备散热问题,减小产生交流干扰故障的概率。

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