機電設(shè)備單片開關(guān)電源故障診斷與維修技術(shù)探討

王澄睿

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

1 前言

機電設(shè)備作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動中的重要組成部分，得到人們越來越多的重視。電源作為機電設(shè)備的核心電力供給，其質(zhì)量好壞直接影響整個機電設(shè)備的可靠性。

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

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

針對上述問題，本文從機電設(shè)備常用開關(guān)電源設(shè)計思路出發(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，對單片開關(guān)電源進行故障類型分類，并以flyback（反激式）開關(guān)電源為例，詳細闡述單片開關(guān)電源故障定位及維修維護方法，可有效提高相關(guān)技術(shù)人員的電源維修效率。

2 機電設(shè)備常用開關(guān)電源工作原理分析

2.1 開關(guān)電源主要組成結(jié)構(gòu)

一般而言，機電設(shè)備單片開關(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、輸出濾波電路四個部分組成。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機電設(shè)備單片開關(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直流電。

（2）高頻功率變換電路可將前級電路中直流電斬波變換成所需特性的方波。

（3）輸出濾波電路可對前級變換方波進行濾波，使其輸出所需直流電。

（4）脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制電路可對輸出電壓進行實時監(jiān)測反饋，通過調(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 常見單片開關(guān)電源工作原理

單片開關(guān)電源主要是利用開關(guān)器件（BJT、MOSFET、IGBT等）的開關(guān)特性，通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件的占空比來對輸入電壓進行脈沖調(diào)制，進而控制開關(guān)電源的輸出電壓。

由于flyback（反激式）單片開關(guān)電源具有隔離特性，常使用于機電設(shè)備小功率電源場合。故本文以flyback（反激式）單片開關(guān)電源為例，介紹其主要工作原理。flyback（反激式）單片開關(guān)電源基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 flyback開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)

如圖2（a）所示反激式開關(guān)電源拓撲圖。當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時，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，所以此時副邊NS電壓極性為下正上負，使VD1截止。此時輸出電容CO向負載放電，負載電流為IO。

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

由于此拓撲結(jié)構(gòu)是在開關(guān)管關(guān)斷時向負載提供能量，所以將其命名為flyback（反激式）開關(guān)電源。此外，flyback（反激式）開關(guān)電源可以通過改變變壓器匝比的方式來實現(xiàn)升降壓變換。

3 機電設(shè)備常用開關(guān)電源故障分析方法

3.1 單片開關(guān)電源故障分類

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

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

漸進性故障是由于系統(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 單片開關(guān)電源故障處理

在對單片開關(guān)電源進行故障處理時，首先需要根據(jù)開關(guān)電源實際功率值和電源PCB板電路結(jié)構(gòu)判斷所采用的拓撲結(jié)構(gòu)。機電設(shè)備常見單片開關(guān)電源不同功率等級應(yīng)用范圍如圖3所示。

圖3 機電設(shè)備常見單片開關(guān)電源功率等級應(yīng)用范圍

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

（1）斷電狀態(tài)測試。確認電源功率等級及拓撲方式后，下一步判斷故障原因是否為因突發(fā)性故障造成主拓撲回路器件承受過大應(yīng)力直接損壞。在斷電狀態(tài)下，可根據(jù)表1所列方法進行故障判斷。

（2）通電狀態(tài)測試。在斷電狀態(tài)下，可初步判斷單片開關(guān)電源損壞器件并進行替換。但確認單片開關(guān)電源是否修好，還需對單片開關(guān)電源進行通電測試。單片開關(guān)電源上電后，測試電源輸出是否正常，如此時電源輸出異常，則需從設(shè)計思路出發(fā)，判斷具體故障回路。

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

圖4 控制回路單獨上電鋸齒波

判斷方法 判斷操作流程問 詢問操作者機電設(shè)備電源損壞的過程。在損壞之前設(shè)備有無出現(xiàn)異常，如頻繁啟停、過載、冒煙等聞打開電源外殼，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)故障望查看單片開關(guān)電源內(nèi)部器件是否出現(xiàn)明顯損壞。如保險絲熔斷，二極管、三極管外殼開裂等器件直接損壞故障測在斷電狀態(tài)下，針對元器件特性使用萬用表初步判斷器件是否損壞。如二極管單向?qū)ā⒐β孰娮枳柚档葏?shù)

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

確定控制回路輸出正常后，從交換節(jié)點處將主拓撲回路分為兩部分，測試圖5所示主拓撲回路前端輸入電壓VIN是否正常。

圖5 主拓撲VIN輸入電壓波形

如此時主拓撲回路前端輸入電壓VIN異常，則需判斷前級整流二極管等元器件是否損壞，進行前級整流濾波電路測試維修。

確定主拓撲前端輸入電壓VIN正常后，將單片開關(guān)電源主拓撲回路與控制回路連接，進行上電測試，此時監(jiān)測圖6所示電源交換節(jié)點VSW處波形是否正常。

圖6 交換節(jié)點VSW波形

如此時交換節(jié)點VSW處波形異常，則需判斷開關(guān)管及鉗位電路等元器件是否損壞，進行功率變換電路測試維修。

確定輸出電壓VSW正常后。此時監(jiān)測圖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

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

4 結(jié)語

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

本文以flyback（反激式）單片開關(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。通過斷電狀態(tài)測試，可排查因承受過大應(yīng)力直接損壞的器件，進行初步故障判斷維修；通過通電狀態(tài)測試，逐步監(jiān)測圖1所示機電設(shè)備單片開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)中各功能模塊電路運行狀態(tài)，全方位有條理的進行故障監(jiān)測維修，可有效提高機電設(shè)備單片開關(guān)電源故障維修效率。