开关电源的基本组成及工作原理 (开关电源的基本原理)

电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，功耗小，转化率高，且体积和重量只有线性电源的%-%，故目前它已成为稳压电源的主流产品。电子设备电气故障的检修，本着从易到难的原则，基本上都是先从电源入手，在确定其电源正常后，再进行其他部位的检修，且电源故障占电子设备电气故障的大多数。故了解开头电源基本工作原理，熟悉其维修技巧和常见故障，有利于缩短电子设备检修思路时间，提高个人设备维护技能。一、开关电源的组成开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。

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1.主电路冲击电流限幅：*接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。2.控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。3.检测电路提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。4.辅助电源实现电源的软件(远程)启动，为保护电路和控制电路(PWM等芯片)工作供电。二、开关电源的工作原理开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关元件以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关无件接通时输入电源Vi通过开关S和滤波电路向负载RL提供能量，当开关S断开时，电路中的储能装置(L1、C2、二极管D组成的电路)向负载RL释放在开关接通时所储存的能量，使负载得到连续而稳定的能量。

VO=TON/T*ViVO为负载两端的电压平均值TON为开关每次接通的时间T为开关通断的工作周期由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，VO间电压平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便使输出电压VO维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”(TimeRationControl,缩写为TRC)。按TRC控制原理，有三种方式：1.脉冲宽度调制(PulseWithModulation,缩写为PWM)开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。2.脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation,缩写为PFM)导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。3.混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。三、开关电源的维修技巧和常见故障1.维修技巧开关电源的维修可分为两步进行：断电情况下，“看、闻、问、量”看：打开电源的外壳，检查保险丝是否熔断，再观察电源的内部情况，如果发现电源的PCB板上有烧焦处或元件破裂，则应重点检查此处元件及相关电路元件。闻：闻一下电源内部是否有糊味，检查是否有烧焦的元器件。问：问一下电源损坏的经过，是否对电源进行违规*作。量：没通电前，用万用表量一下高压电容两端的电压先。如果是开关电源不起振或开关管开路引起的故障，则大多数情况下，高压滤波电容两端的电压未泄放悼，此电压有多伏，需小心。用万用表测量AC电源线两端的正反向电阻及电容器充电情况，电阻值不应过低，否则电源内部可能存在短路。电容器应能充放电。脱开负载，分别测量各组输出端的对地电阻，正常时，表针应有电容器充放电摆动，最后指示的应为该路的泄放电阻的阻值。加电检测通电后观察电源是否有烧保险及个别元件冒烟等现象，若有要及时切断供电进行检修。测量高压滤波电容两端有无伏输出，若无应重点查整流二极管、滤波电容等。测量高频变压器次级线圈有无输出，若无应重点查开关管是否损坏，是否起振，保护电路是否动作等，若有则应重点检查各输出侧的整流二极管、滤波电容、三通稳压管等。如果电源启动一下就停止，则该电源处于保护状态下，可直接测量PWM芯片保护输入脚的电压，如果电压超出规定值，则说明电源处于保护状态下，应重点检查产生保护的原因。2.常见故障（1）保险丝熔断一般情况下，保险丝熔断说明电源的内部线路有问题。由于电源工作在高电压、大电流的状态下，电网电压的波动、浪涌都会引起电源内电流瞬间增大而使保险丝熔断。重点应检查电源输入端的整流二极管，高压滤波电解电容，逆变功率开关管等，检查一下这此元器件有无击穿、开路、损坏等。如果确实是保险丝熔断，应该首先查看电路板上的各个元件，看这些元件的外表有没有被烧糊，有没有电解液溢出，如果没有发现上述情况，则用万用表测量开关管有无击穿短路。需要特别注意的是：切不可在查出某元件损坏时，更换后直接开机，这样很有可能由于其它高压元件仍有故障又将更换的元件损坏，一定要对上述电路的所有高压元件进行全面检查测量后，才能彻底排除保险丝熔断的故障。（2）无直流电压输出或电压输出不稳定如果保险丝是完好的，在有负载情况下，各级直流电压无输出。这种情况主要是以下原因造成的：电源中出现开路、短路现象，过压、过流保护电路出现故障，辅助电源故障，振荡电路没有工作，电源负载过重，高频整流滤波电路中整流二极管被击穿，滤波电容漏电等。在用万用表测量次级元件，排除了高频整流二极管击穿、负载短路的情况后，如果这时输出为零，则可以肯定是电源的控制电路出了故障。若有部分电压输出说明前级电路工作正常，故障出在高频整流滤波电路中。高频滤波电路主要由整流二极管及低压滤波电容组成直流电压输出，其中整流二极管击穿会使该电路无电压输出，滤波电容漏电会造成输出电压不稳等故障。用万用表静态测量对应元件即可检查出其损坏的元件。例：某一伏直流电机供电电源通电后无直流伏输出，拆开电源外壳，观察保险丝未烧断且电路板无明显的烧焦处或破裂元件，在未通电情况下量AC输入端阻值和DC输出端阻值正常，量开关管、整流桥、整流管等重要元件正常，故判断不存在内部严重短路的可能，估计保护电路动作。经检查此开关电源采用UPWM控制芯片，经查找相关的资料得知，当U芯片的3端电压高于1伏时，内部电流敏感比较器输出高电平，将PWM锁存器复位使输出关闭。通电测量U的3端高于1伏，6端无输出，经检查相关电路，发现稳压管D2击穿，如图3，故PC1导通，致使U的3端为高电平，故6端无输出，开关管不工作，直流侧无直流输出。更换同型号稳压管D2，故障解除。

（3）电源负载能力差电源负载能力差是一个常见的故障，一般都是出现在老式或工作时间长的电源中，主要原因是各元器件老化，开关管的工作不稳定，没有及时进行散热等。应重点检查稳压二极管是否发热漏电，整流二极管损坏、高压滤波电容损坏等。例：我厂近红处激光光谱仪(VECTOR)，开机后无法完成自检并报警且主板指示灯不断闪烁。经检查，供光谱仪主板的直流5V电源仅剩2.3伏左右，脱开5V直流电源的负载，通电再次测量5V直流电源，这时则有5V，初步判断此5V直流电源带载能力差，拆开电源外壳进行检修，由于没有带负载时，通电有直流5V输出，故重点检查次级线圈侧的输出整流电路，给5伏电源接上假负载通电进行测量发现三通稳压的1、2脚之间电压为5.2伏，2、3脚之间却剩2.3伏，如图4，故判断三通稳压管性能变坏，更换三通稳压管故障解决。

四、本文结束语目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。作为设备维护专业人员，有必要了解开关电源的基本工作原理，掌握其维修技能，熟悉其常见故障，这样才有利于减少电子设备的维修费用，缩短其检修思路时间，提高自身技能水平。