黃金萍

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學院，廣東 珠海 519000）

隨著電子產(chǎn)品向小型化和節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，采用開關(guān)電源供電是電子產(chǎn)品的一大變革，開關(guān)電源由于其功耗低、效率高、體積小、重量輕，成為穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，近年來已被廣泛應用于各類電子產(chǎn)品中。

1 典型開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)

典型開關(guān)電源通常由輸入抗電磁干擾（EMI）濾波器、工頻整流濾波電路，功率變換電路、PWM控制器，高頻整流濾波電路、電壓反饋電路以及輔助電路等組成，其組成如圖1所示。

圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖

1.1 EMI濾波器

在AC／DC變換器中，EMI濾波器用以隔離電網(wǎng)與開關(guān)電源之間的射頻干擾，起著雙向濾波的作用，一方面對輸入交流電網(wǎng)中的電磁噪聲及干擾進行抑制，防止進入直流側(cè)；另一方面也防止直流側(cè)的高頻雜波回饋到交流電網(wǎng)。EMI濾波器的典型電路如圖2所示。C3、L1、C4構(gòu)成雙π型濾波網(wǎng)絡，是EMI的主體，其中L1為共模電感，一般為10～30mH，可抑制電網(wǎng)的共模干擾；C3、C4為差模濾波電容，可濾除電網(wǎng)的尖峰電壓；C1、C2為安全電容，兩電容串聯(lián)后中點接大地，具有濾除電網(wǎng)差模和共模干擾的雙重作用。EMI的選擇與設計取決于開關(guān)電源的功率。

圖2 典型電路圖

1.2 工頻整流濾波電路

工頻整流濾波電路通常采用橋式整流電容濾波的形式。在開關(guān)電源中，考慮設備的通用性，交流輸入電壓的范圍通常在100～115V或85～265V，濾波電容上是有紋波的直流電壓，該電壓的最大值為交流電壓有效值的倍，其最小值與交流電壓的最低值有關(guān)。濾波電容的容量增大，會增大電容的成本，紋波的減小并不很明顯，但更低的容量會增大紋波電壓。當交流電壓為220V時，經(jīng)橋式整流電容濾波得到約300V左右的直流電壓。

1.3 功率變換電路

功率變換電路實質(zhì)上是一個振蕩電路，是開關(guān)電源的關(guān)鍵部分，主要包括：開關(guān)管、啟動電路、開關(guān)變壓器、正反饋網(wǎng)絡，其中開關(guān)管是功率變換器的核心部件。根據(jù)開關(guān)管的連接方式不同，開關(guān)電源可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、變壓器式三種類型，由于變壓器式開關(guān)電源可同時輸出多組不同大小和極性的電壓，只需要改變開關(guān)變壓器的匝數(shù)和漆包線截面積的大小即可方便地改變輸出電壓和電流的大小，因而被廣泛應用。反激式開關(guān)電源的功率變換器如圖3所示，開關(guān)管通過啟動電路（圖中未畫出）、正反饋、PWM控制實現(xiàn)高頻振蕩，并通過開關(guān)變壓器輸出高頻脈沖電壓，完成直流—交流變換。

圖3 功率變換電路圖

1.4 PWM控制器

開關(guān)電源中開關(guān)管的控制方式有脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）和混合調(diào)制三種，其中，PWM方式具有固定開關(guān)頻率，設計簡單的特點，因此，應用最為普遍。目前，開關(guān)電源大多采用PWM控制方式，眾多廠家已將PWM控制器設計成集成模塊，以方便用戶選擇。

PWM控制電路的典型結(jié)構(gòu)有三種，一是自激振蕩型PWM控制電路，該電路通過啟動電阻，利用正反饋使開關(guān)管產(chǎn)生高頻自激振蕩，這種電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低，一般應用于小功率的反激式開關(guān)電源中，例如各種電器設備的待機電源、手機充電器等；二是單片集成PWM控制模塊，典型型號如 TL494、KA7500、SG3525、UC3842／3／4／5系列等，單片集成PWM控制模塊具有集成度高、外圍電路簡單，能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源等優(yōu)點，目前在中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源、特種電源以及電源模塊中廣泛應用，如計算機、電視機、DVD、LED電源等；三是單片開關(guān)電源，即將PWM控制、功率開關(guān)管（MOSFET）、保護電路等集成在芯片中，通過高頻變壓器即可實現(xiàn)直流輸出端與電網(wǎng)完全隔離，外部只需配套整流濾波器、高頻變壓器、漏極鉗位保護電路、反饋電路、輸出電路，即可構(gòu)成開關(guān)電源，典型型號有TOPSwitch－Ⅱ系列三端芯片、TinySwitch四端芯片。廣泛應用于家用電器的輔助電源、便攜式充電器等大功率電器。

1.5 高頻整流濾波電路

高頻整流濾波電路用于AC／DC或DC／DC變換器的輸出端，其工作頻率與開關(guān)電源開關(guān)管的工作頻率相同，典型的高頻整流濾波電路如圖4所示。反激式開關(guān)電源的高頻整流濾波電路較簡單，但整流二極管承受的沖擊電流較大，電流紋波較大，可適當加大濾波電容的容量。正激式開關(guān)電源的高頻整流濾波電路必須串聯(lián)濾波電感和續(xù)流二極管，濾波電感的大小直接影響整流二極管和續(xù)流二極管的沖擊電流，電感量越大，沖擊電流就小。推挽式開關(guān)電源也屬于正激式開關(guān)電源，其高頻整流濾波電路原理與正激式基本相同，只是整流二極管同時承擔整流和續(xù)流作用。

圖4 典型高頻整流濾波電路圖

1.6 輸出電壓反饋電路

輸出電壓反饋電路是所有開關(guān)電源都具有的電路。在輸入與輸出不需要電氣隔離的場合，可直接利用電阻分壓得到反饋電壓，這種方法電路結(jié)構(gòu)簡單，PWM控制器由輸入電源供電，成本最低，穩(wěn)壓性能也很好，缺點是輸出與輸入必須有公共參考地，適用于非隔離式DC／DC變換器中。在輸入與輸出需要電氣隔離的場合，可在開關(guān)變壓器增加反饋繞組，從反饋繞組獲取電壓反饋信號，這種方式適用于反激式開關(guān)電源，其電路結(jié)構(gòu)較為簡單，但由于是間接穩(wěn)壓，當負載電流變化時，輸出繞組的直流電阻產(chǎn)生的壓降不會反映到反饋電路中，因此其負載調(diào)整數(shù)率差，適用于輸出電流比較穩(wěn)定或者對輸出電壓精度要求不高的電路。也可采用光電耦合器實現(xiàn)電氣隔離引入反饋。

1.7 輔助電路

開關(guān)電源工作時還需一些輔助電路才能正?？煽康毓ぷ鳎行┹o助電路包含在主電路環(huán)節(jié)中，這里介紹開關(guān)電源中的常用輔助電路。

1.7.1 尖峰電壓吸收電路

尖峰電壓吸收電路是反激式開關(guān)電源必須的輔助電路。當開關(guān)管由導通變成截止狀態(tài)時，由于高頻變壓器存在漏感，在一次繞組上會產(chǎn)生尖峰感應電壓，此電壓與直流輸入電壓疊加后加到開關(guān)管MOSFET的漏極，很容易損壞開關(guān)管，為此，必須加以保護，常見的尖峰電壓吸收電路如圖5所示。吸收電路可并聯(lián)在高頻變壓器的一次繞組上，也可以連接在功率MOSFET的漏極與地線之間。緩沖吸收電路和鉗位電路具有不同的功能，（a）圖緩沖電路用于降低尖峰電壓幅度和減小電壓波形的變化率，有利于功率開關(guān)管工作在安全區(qū)。（b）圖鉗位電路僅用于降低尖峰電壓幅度，防止功率開關(guān)管因過壓而造成雪崩擊穿。（c）圖軟鉗位電路的參數(shù)選擇合理時，可以同時起到鉗位和緩沖的作用。

圖5 尖峰電壓吸收電路圖

1.7.2 保護電路

開關(guān)電源中一般設有完善的保護電路，如過壓保護、過流保護和過熱保護，其保護方式主要是當電路出現(xiàn)過流或過壓時使電路停振，達到保護的目的。

過流保護電路一般在MOSFET開關(guān)管的源極串聯(lián)一個小阻值的電阻，作為過流檢測元件，當開關(guān)管電流過大時，電阻上的電壓增大，此電壓以控制電路，使振蕩電路停振，從而保護電路中的相關(guān)元件不至于損壞。

開關(guān)電源的過電壓保護包括輸入過電壓和輸出過電壓保護。其中，輸入過電壓又分浪涌過電壓和電源電壓過高兩種情況。對浪涌過電壓一般在交流電源的進線端串聯(lián)熔斷絲和并聯(lián)壓敏電阻進行保護。對電源電壓過高的保護一般是在輸入整流濾波之后加入電壓檢測電路，當直流高壓過高時，使電路停止工作，以保護功率開關(guān)管不會因過高電壓而損壞?，F(xiàn)在有些單片開關(guān)電源本身就具有過壓保護功能。輸出過電壓會直接造成負載電路的損壞，所以，過壓保護的取樣點一般在穩(wěn)壓電源的輸出端上，當輸出電壓過高時觸發(fā)控制電路使開關(guān)電路停振，從而起到保護電路的作用。

此外，開關(guān)電源的輔助電路還有過熱保護電路、尖峰電流抑制電路、功率因數(shù)校正電路等，根據(jù)設備對電源的要求和應用環(huán)境增設相應的電路。

2 開關(guān)電源的主要故障及分析

開關(guān)電源一旦出現(xiàn)故障，將導致設備不通電，無法工作，因此，當設備出現(xiàn)故障時，要首先檢查開關(guān)電源是否正常，若確定故障在電源部分，可通過對電源電路中各關(guān)鍵點的檢測來判斷電源故障所在部位。

2.1 工頻整流濾波電路的檢測與故障分析

工頻整流濾波電路的濾波電容上的電壓正常值一般在300V左右，在檢測這部分電路時，應注意兩個關(guān)鍵點：一個是整流前的電路如保險絲或限流保護電阻是否正常，當保險絲或保護電阻燒壞時，不要輕易更換試機。首先要判斷燒壞的原因，是否有負載短路，尤其是開關(guān)管擊穿，更換開關(guān)管前還應檢測其外圍元件是否損壞，檢查無誤后才能進行更換。另一個是檢測濾波電容器兩端電壓，正常情況時應為300V左右。該點電壓是否正常是決定振蕩電路正常工作的首要條件。

2.2 振蕩電路關(guān)鍵點檢測與故障分析

振蕩電路故障是檢修的難點，首先要判斷是無電壓輸出還是被保護電路保護而導致無電壓輸出。檢測方法是：先將負載斷開，在開關(guān)電源輸出端接一假負載（可用220V60 W燈泡代替），交流電源輸入端接調(diào)壓器，以便與電網(wǎng)電氣隔離。采用低電壓供電方式，將開關(guān)電源通電，逐漸調(diào)節(jié)調(diào)壓器使交流電壓慢慢增加，此時檢測開關(guān)電源的輸出電壓，觀察輸出電壓的變化，若輸出電壓為零，說明振蕩電路停振，可進行振蕩電路和保護的檢測；若輸出電壓隨調(diào)壓器電壓升高而變化且在規(guī)定的輸出電壓值不能穩(wěn)定，則說明穩(wěn)壓電路故障，可對穩(wěn)壓電路進行檢測。

檢測振蕩電路故障應把握三點：①啟動電路故障，該電路一般是將300V電壓經(jīng)啟動電阻接到開關(guān)管的基極，提供啟動電壓，阻值不正常會引起故障。②開關(guān)管損壞導至故障，可檢測開關(guān)管各極的電壓，但必須注意的是，若開關(guān)管是MOSFET時，不要輕易檢測柵極電壓，以免損壞開關(guān)管。③反饋網(wǎng)絡故障，正反饋網(wǎng)絡從高頻變壓器輸出端取反饋電壓，通過PWM電路控制開關(guān)管，也是故障的多發(fā)點。

2.3 穩(wěn)壓電路故障分析

開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路包括取樣電路、基準電壓、比較電路和脈沖調(diào)制電路，若出現(xiàn)故障，將導至開關(guān)電源保護或損壞，可通過檢測直流輸出電壓來判斷故障部位。穩(wěn)壓電路故障分析應把握兩點：①若直流輸出電壓升高，一般故障在穩(wěn)壓控制電路部分；②若直流輸出電壓降低，故障可能在電源本身或因負載過流造成的輸出電壓降低。

3 結(jié)束語

目前，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的技術(shù)在不斷改進，但仍存在一些問題，如電路結(jié)構(gòu)較復雜，故障率較高，制作與調(diào)試難度大，維修麻煩，因此，造價成本仍較高。