中小功率開關穩(wěn)壓電源的故障分析及維修技巧

曲延昌，陳玉玲

（山東工業(yè)職業(yè)學院，山東淄博 256416）

0 引言

隨著現(xiàn)代控制技術在工業(yè)中應用越來越廣泛，中小功率開關穩(wěn)壓電源在工業(yè)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(xiàn)故障時，通常需要專業(yè)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(guī)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(jīng)過整流后變成脈動直流電，再經(jīng)過PFC 及濾波環(huán)節(jié)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(jīng)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(jīng)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比來保證輸出電壓的穩(wěn)定，其前提條件是電路中的各部分能協(xié)調(diào)工作。據(jù)統(tǒng)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(nèi)壁發(fā)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(fā)生時電路中幾乎沒有限流元件。這種故障多是因為電網(wǎng)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(jīng)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(xù)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(shù)，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(guī)格的壓敏電阻和熔斷器。

（2）玻璃管內(nèi)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(fā)生時電路中的阻抗限制了電流的上升。這種故障多發(fā)生于大功率開關管擊穿的情況，根據(jù)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(lián)的電流檢測電阻的參數(shù)，如果參數(shù)不在標稱范圍內(nèi)，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(shù)忍耐性，允許在短時間內(nèi)通過的電流可數(shù)倍于額定值而不損壞，因此，發(fā)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(shù)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(xiàn)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(wěn)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(shù)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(guī)格的電阻。

（2）上電后電源的輸出時有時無，非常不穩(wěn)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(xiàn)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(xiàn)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(tài)，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(tài)啟動后電源輸出正常，發(fā)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(huán)節(jié)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(fā)故障?，F(xiàn)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(diào)得較高，但當錫量不足時，很容易出現(xiàn)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(fā)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(shù)將偏離額定值。比如濾波用的電解電容，規(guī)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(shù)據(jù)，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(fā)生。比如有的開關電源，在輕負載輸出時，電壓電流等參數(shù)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(jù)經(jīng)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(xiàn)象，但因為不明顯，一般不予考慮。微型繼電器的觸點出現(xiàn)氧化的現(xiàn)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(wěn)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(chǎn)生影響，但是使用時間長了，隨著老化程度加深、機內(nèi)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(guī)檢查，打開機箱先清理衛(wèi)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(shù)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(shù)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?yōu)? V。

圖2 是根據(jù)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(jīng)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(guī)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(wěn)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?yōu)? V。

圖3 主板控制信號電路

圖4 是根據(jù)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(xiàn)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?？梢灾槐Ａ粢粋€二極管來驗證是哪個信號造成了PC3 的導通。結果發(fā)現(xiàn)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(jīng)P503 的③端子進入電源板，最終在C132 上產(chǎn)生直流電壓，為直流風扇供電。風扇的狀態(tài)信號通過R176 輸出。加電測試發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)是D126 被軟擊穿了。換了相同規(guī)格的穩(wěn)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(yè)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(zhàn)，不過只要熟悉其基本結構，有扎實的電子技術基礎，經(jīng)過一段時間的實踐，普通電氣維修工也能承擔起維修任務。