地震臺站儀器設備開關電源的維修

楊世英，孟彩菊，靳玉貞，何 佳，任瑞國

(1.山西省地震局太原基準地震臺，山西 太原 030025；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

目前在臺站運行著大量的辦公設備、網絡設備以及各種觀測儀器，保障這些儀器設備的正常運行是臺站的一項重要工作。目前，已建立了以片區(qū)為中心的運行維護機制保障臺網正常運行。在臺站各類儀器設備故障中，電源故障占有一定的比例。電源故障維修不需要高級儀表和工具，維修資料易收集，技術易掌握，所需元器件易獲取，適合在臺站開展。

1 地震臺站常見的開關電源

電源是一切電子設備的心臟，是指能向儀器設備提供功率輸出的裝置。現(xiàn)在的儀器設備電源基本采用開關電源，其優(yōu)點是功耗小、轉換效率高，采用輕巧的高頻變壓器減少體積與重量，電路形式靈活多樣，對電網電壓要求不高；缺點是控制電路相對復雜、輸出電壓中紋波和噪聲成分較大。地震臺站儀器設備中常見的是直流穩(wěn)壓開關電源，在地電阻率等觀測儀器中也采用了恒流電源向電極供電。

一般計算機采用固定尺寸與規(guī)格及接口的開關電源，高端網絡設備采用鐵殼電源模塊，低端網絡設備采用單電壓開關電源板，便攜式設備或小型網絡設備如光纖收發(fā)器等多采用外置電源適配器。觀測儀器內部的電源各異，多采用一個鐵殼的開關電源，再設置一兩塊電源板，或使用外圍元件較少的三端式穩(wěn)壓集成電路或DC/DC模塊進一步提供各種輸出電壓。

2 開關電源的結構及識圖

開關電源按電路結構可分為分立式和集成式；按開關控制器件的連接方式可分為串聯(lián)型與并聯(lián)型；按激勵脈沖產生方式分為自激式與他激式；按穩(wěn)壓控制方式分脈沖寬度調制(PWM)、脈沖頻率調制(PFM)、脈沖密度調制(PDM)和混合調制式，以上4種統(tǒng)稱為“時間比率控制”(TRC)，其中以PWM應用最廣；按功率開關管的類型可分為：晶體管型開關電源(GTR)、晶閘管型開關電源、MOSFET型開關電源和IGBT型開關電源[1]。

現(xiàn)在常見的集成式芯片開關電源通過互聯(lián)網搜索芯片型號容易獲得芯片datasheet及典型應用電路圖，實際使用中多采用稍加改動的公版設計電路。一個典型的PWM型開關電源結構如第10頁圖1所示，大致由四部分組成。即使在沒有電路圖的情況下，開關電源電路中的主要元器件也易于識別。按功能可分為幾個區(qū)域，由4個整流二極管或整流橋模塊及較大體積的濾波電容以及外圍元件(如防雷元件、互感濾波器、熔斷器等)組成“輸入整流濾波器”部分；由安裝散熱器的開關管及體積相對較大的開關變壓器及外圍電路組成“功率開關管及高頻變壓器”部分，也有部分將開關場效應晶體管集成在開關集成電路中的；由開關變壓器次級輸出電路中的整流二極管及體積中等的濾波電解電容、電感等組成“輸出整流濾波器”，由集成電路及外圍電路組成“PWM控制器”部分。一般由4腳的扁平封閉光電耦合器將輸出電壓誤差信號反饋到開關集成電路，形成一個反饋環(huán)路，通過對開關集成電路振蕩信號的控制實現(xiàn)穩(wěn)壓控制，組成一個自動控制環(huán)路。除以上主要部分，較高級的開關電源可能有浪涌控制、軟啟動、過失壓保護、過載保護等輔助功能電路部分[1]。

圖1 典型的PWM開關電源結構圖Fig.1 Structure diagram of typical PWM switching power supply

3 開關電源的維修方法

進行維修時應采取一定的安全措施。如，采用隔離變壓器，工作臺和地面鋪設絕緣材料，通電檢測最好單手操作等。

維修開關電源時，可以先在斷電情況下觀察開關電源各元件有無異?，F(xiàn)象，如保險管熔斷、電容鼓包或爆裂、電阻燒黑等現(xiàn)象，再用萬用表對可疑元件進行粗略的在路測量。了解常見元件損壞時的特點，將有助于在路測量時進行判斷。如一般電容器的損壞特點是容量變小、漏電或短路，電阻器的損壞特點是阻值變大或開路，整流二極管和開關管損壞特點是擊穿等。如不能確定，可將元件從印刷板上取下進行精確測量判斷。

如不能解決故障，則通電檢測。首先觀察有無“吱吱”聲，有無焦糊味及異常發(fā)熱現(xiàn)象；然后測量一些關鍵點的參數(shù)進行判斷，如輸入整流濾波器輸出應為300 V左右，開關管基極或柵極應有0.6 V左右的啟動電壓，測量集成塊各引腳對地電壓值等，通過這些參數(shù)的測量進一步判定故障區(qū)域。在日常工作中，要對常見的開關電源正常工作時各關鍵點參數(shù)有一定的了解，這將有助于快速判斷故障區(qū)域。對故障區(qū)域內的所有元件進行分析與測量，最后找到故障元件并更換。

對于保險管熔斷或保護電路起作用而造成的故障，在更換保險管和斷開保護電路時需慎重，應先找出熔斷或保護的原因，以免引起電路更大的損壞；對于斷開負載輸出電壓正常，接上負載輸出電壓下降或工作一段時間才發(fā)生的故障，可考慮開關管性能下降、高頻變壓器或濾波電容不良、散熱不良等原因。更換故障元器件應盡量用同型號規(guī)格及封裝的元器件，在不易找到時，應查閱元器件手冊，選擇合適參數(shù)的替代型號。焊接時，應注意恢復原來的絕緣與散熱，焊接時間不宜過長，以免對元件造成損傷[2]。

觀測儀器中常見的三端式穩(wěn)壓集成電路和DC/DC模塊，其本質也是封裝了的開關電源，損壞后一般只能更換。

4 結語

在以往的維修實踐中，經修復的開關電源可繼續(xù)工作或作為備用件。在臺站開展開關電源維修，既可提高維護技能，又實現(xiàn)了物盡其用、經濟環(huán)保，此維護經驗、方法在其他地震臺可借鑒、推廣。