中小功率開關穩壓電源的故障分析及維修技巧

曲延昌，陳玉玲

（山東工業職業學院，山東淄博 256416）

0 引言

隨著現代控制技術在工業中應用越來越廣泛，中小功率開關穩壓電源在工業設備中的使用量越來越多，因為控制技術及電路的復雜性，在電源出現故障時，通常需要專業人員進行維修。但如果明白這些電源的基本組成和工作原理，了解其故障規律，則一般工程技術人員也能掌握維修技巧。

1 開關電源的基本組成與工作原理

交流工頻電壓經過整流后變成脈動直流電，再經過PFC 及濾波環節后，變成直流母線高壓V+。

開關電源基本結構如圖1 所示，脈動直流電經過啟動電路為控制電路供電，芯片啟動后，輸出驅動脈沖，開關電路工作，將直流高壓變換成交變電壓，通過變壓器耦合到二次側，二次側交流電經過整流并高頻濾波后，變成所需的直流電輸出。取樣電路將檢測電壓回饋到控制芯片，控制芯片通過改變脈沖信號的占空比調節輸出電壓。

圖1 開關電源基本結構

2 開關電源的常見故障及維修對策

開關電源通過調節輸出脈沖的占空比來保證輸出電壓的穩定，其前提條件是電路中的各部分能協調工作。據統計，在自動化控制裝置中，開關電源的故障約占整個設備故障的60%以上，可見對開關電源進行故障原因分析是設備維護與維修的關鍵。開關電源的故障類型大致如下：

2.1 承受高電壓或流過大電流的器件容易被擊穿

在開關電源中，承受高電壓的元器件主要集中在一次側，比如電源入口處的壓敏電阻、整流橋及濾波電容等，流過大電流的器件主要包括整流橋和大功率開關管等。不管是過壓還是過流，都容易引起保護元件動作，造成熔斷器熔斷開路。因為熔斷器本身不會自行熔斷，因熔絲開路必然是其后的電路出了故障，而且故障類型也決定了熔斷器的損壞情況。

（1）玻璃管內壁發黑，玻璃管壁有裂紋甚至破碎。這是一種極為嚴重的短路故障，短路瞬間熔絲直接氣化，高溫金屬蒸汽在碰到溫度很低的玻璃管時，造成玻璃管破裂。這種故障的特點是瞬時電流極大，短路發生時電路中幾乎沒有限流元件。這種故障多是因為電網電壓過高造成的，比如雷擊以及供電電壓異常升高等，造成壓敏電阻瞬間動作，巨大的電流流經熔斷器，熔斷器熔斷，切斷電源。在電路上低通濾波抑制了雷擊電壓的繼續延伸，使后面的電路得到保護。如果用多用表測量其他元件的參數，則基本是正常的，這就是過壓保護的作用。解決的辦法是更換相同規格的壓敏電阻和熔斷器。

（2）玻璃管內壁可見濺射的金屬顆粒，玻璃管完好。這種故障顯然比上一種情況要輕得多，究其原因，在故障發生時電路中的阻抗限制了電流的上升。這種故障多發生于大功率開關管擊穿的情況，根據圖1 所示，一般認為主電路中的元件（如電感與電阻）起到限流作用。解決的辦法不但要更換損壞的大功率開關管、熔斷器，還要測試大功率管的驅動電路和與之串聯的電流檢測電阻的參數，如果參數不在標稱范圍內，也應一并更換。另外，工頻濾波電容擊穿也可造成類似的問題，故障的原因多與電源電壓偏高有關。與大功率管的脆弱性不同，電感類器件具有較強的參數忍耐性，允許在短時間內通過的電流可數倍于額定值而不損壞，因此，發生短路故障時，變壓器、電感損壞的可能性不大。

2.2 小元件引起的故障

開關電源故障之所以難以維修，原因之一是元器件數量多，且型號復雜，不能簡單替換。由小元件引起的故障有如下3 類。

（1）上電后，電源無輸出。測量直流母線高壓，電壓值正常。出現這種故障的原因可能是啟動電路不工作。顧名思義，啟動電路是為整個電源提供一個啟動條件，如果條件滿足，電路就起振，電源有正常的輸出。如果條件不滿足，電源就不能輸出。為保證可靠穩定供電，離線式開關電源的控制IC 的電源端需要對地并接一只電容器，而啟動電阻就是脈沖直流電對該電容器的充電電阻。在正常情況下，電阻兩端需要承受數百伏的直流電，其功耗不容忽視，但如果其散熱條件變差，將引起自身溫度升高，嚴重時造成開路。解決的辦法是更換同規格的電阻。

（2）上電后電源的輸出時有時無，非常不穩定。因為有輸出，說明電路中不可能有擊穿的元件，因此在外觀上可能看不出明顯的損壞痕跡。因為現在的控制IC 的電源引腳普遍都有欠壓關閉功能，即當電源引腳上的電壓低于欠壓動作電壓時，控制IC 就立即終止驅動脈沖輸出，等該引腳上的電壓恢復到正常值時，控制IC 又開始輸出驅動脈沖。出現這種故障的重要原因是電源引腳的濾波電容有效容量變小所致。上電后，啟動電阻能對該電容器充電，當控制IC 啟動工作時，會瞬間將電容上的電壓拉低，控制IC 立即進的入欠壓關閉狀態，這時，電容又被充電，兩端電壓升高，重復前面的動作。解決的方法是更換容量稍大的電容器，最好選擇高頻低感型的電容。如果手頭沒有合適的電容，也可以在原電容引腳的根部并接一只或多只貼片的多層電容，容量應盡量大一些，用以彌補普通電容在高頻方面的不足。

（3）冷態啟動后電源輸出正常，發生故障時無任何的征兆。輸出正常，說明電路的控制沒有問題。輸出不正常，說明電路的某個環節不通，導致不能輸出。在長期的維修實踐中，這種故障也是開關電源的頻發故障。現在的開關電源制作工藝多采用波峰焊接，由于需要兼顧到大小焊盤上錫的均勻性，一般將波峰調得較高，但當錫量不足時，很容易出現個別焊盤上錫不足的情況。這樣的焊盤在通過大電流時，必然引起發熱等異常情況，時間長了，造成焊錫氧化、渣化，脆性增加，嚴重的引起斷裂。這是造成虛焊故障的主要原因。解決虛焊的辦法其實很簡單，找到虛焊之處，用焊錫補焊即可，但找到虛焊之處卻要費一番功夫，要求維修人員的細心和耐心。

2.3 元件老化引起的故障

開關電源中包含種類很多的電子元器件，這些電子元器件的壽命長短不一，長時間開機，對元件的老化作用明顯，元器件的實際參數將偏離額定值。比如濾波用的電解電容，規格書上的有效工作指標大約只有2000 h 左右，實際的壽命可能遠大于指標數據，但終究這類器件的壽命是有限的，因此，一般開關電源使用時間長了，因元件老化造成的故障常有發生。比如有的開關電源，在輕負載輸出時，電壓電流等參數均正常，但當負載加重時，比如負載增大到額定值的70%時，輸出電壓開始降低。如果將負載降低，輸出電壓又恢復正常。這種情況就要考慮元件老化的原因。根據經驗，元件老化的次序大致是：工頻濾波電容、輸出高頻濾波電容、一般小型濾波電容等。半導體器件也有老化現象，但因為不明顯，一般不予考慮。微型繼電器的觸點出現氧化的現象普遍存在，觸點的輕微氧化不影響通過電流，但嚴重的氧化也是輸出不穩定不可忽視的原因。

2.4 其他原因引起的故障

開關電源的技術復雜，除了使用不同種類的電子元器件外，還使用了多種輔材，這些輔材包括磁芯、絕緣材料、金屬散熱片、導熱硅脂等，還有一些輔助裝置，如冷卻風機等，這些輔材及裝置雖然不參與電流的流通，但要承受一定的電壓或高溫。盡管在正常情況下不會對開關電源的工作產生影響，但是使用時間長了，隨著老化程度加深、機內灰塵的增多，在一些重點部位，也會引起故障，例如灰塵在散熱片表面過多堆積，會嚴重影響散熱片的性能，造成開關管管芯溫度過高，引起炸機。解決的辦法是先進行常規檢查，打開機箱先清理衛生，可以使用列克賽特噴劑清理灰塵，再進行電氣方面的檢查。

3 開關電源維修實例

一臺數碼復印機用的尼吉康開關電源，上電后，操作面板有顯示，自檢完成后，無任何機械動作。

數碼復印機的直流電源采用AC 220 V 供電，電路結構上包括PFC 電路、待機電源、主電源等，輸出電壓有+5 V1 輔助電源，用于主板供電，+5 V2 用于一般邏輯電路供電，+18 V 是MOS 驅動電路，+24 V 用于電機驅動。

上電后，操作面板有顯示，說明為主板供電的輔助電源是正常的，自檢完成后無任何機械動作，首先應檢查拖動電機的電源和驅動信號。用多用表測量P510 的④⑤端子對地電壓，+24 V 電壓只存在不到1 s，接著變為0 V。

圖2 是根據實際線路繪制的電機供電電路，T001 是主變壓器二次側，其輸出電壓經過整流濾波后變換成+24 V 直流電壓。電機的供電電壓從P510的④⑤端子輸出。

圖2 電機供電電路

+24 V 直流電并不能直接為電機供電，而是受主板的控制。在圖3 中來自主板的高電平信號從P503 的端子⑤進入電源板，繼電器RL102 線圈得電后，RL102 主觸點閉合，+24 V 通過緩啟動電阻TH101、TH102 在P510 的④⑤端子上建立起電壓，當電壓值達到規定值時，D122 擊穿，三極管Q104、Q103 相繼導通，繼電器RL101 得電，其觸點閉合，在P510 的④⑤端子上建立起了正常的+24 V 電壓。

為了保證電源的穩定可靠，電路中還對各路輸出電壓設置了過壓檢測與保護電路，各路輸出電壓只要輸出異常，主板會立即輸出控制信號，中止輸出（圖3）。在該電源中，主要是通過改變PWM 控制電路IC002 的OVP 引腳的電壓來達到停止輸出的。OVP 是過壓輸入信號，如果該引腳電壓高于動作閾值后，IC002立即停止輸出高頻驅動脈沖，開關電路停振，T001 無輸出，最終+24 V 端電壓變為0 V。

圖3 主板控制信號電路

圖4 是根據實際線路繪制出的與T001 主變壓器一次側PWM 控制芯片有關的局部電路，OVP 引腳是過壓保護輸入。從圖4 中可以看出，熱開關SW001觸點的斷開，以及PC3二次側的導通都能使OVP 引腳電壓的升高。

圖4 PWM 控制芯片的接線（局部）

如果將D021 拆除，這樣造成IC002 停止輸出的因素就只剩PC3 二次側的導通了。加電測試，PC3 二次側仍有導通現象，OVP 仍在作用。

檢測的重點轉向與PC3 一次側導通有關的電路，圖5 繪制的是與PC3 導通有關的電路，從圖5 中看出，D121、D125 和D119 構成或門，任何一路輸入有效，均可使PC3 一次側導通。可以只保留一個二極管來驗證是哪個信號造成了PC3 的導通。結果發現PC3 的導通與D125 一路的信號有關。CN101 是風扇插座，來自主板的風扇啟動信號（高電平）經P503 的③端子進入電源板，最終在C132 上產生直流電壓，為直流風扇供電。風扇的狀態信號通過R176 輸出。加電測試發現，不論接不接風扇，IC106 的7 腳都輸出高電平，這顯然是不對的，進一步檢查發現是D126 被軟擊穿了。換了相同規格的穩壓管后，再開機，電源恢復正常輸出了。

圖5 保護電路（局部）

4 結語

隨著設備自動化程度越來越先進，中小功率開關電源在企業中的應用越來越廣泛，由于電路復雜，給維修人員帶來了很大的挑戰，不過只要熟悉其基本結構，有扎實的電子技術基礎，經過一段時間的實踐，普通電氣維修工也能承擔起維修任務。