开关电源典型电路及常见故障分析

2014-11-30黄金萍

长江工程职业技术学院学报 2014年4期

关键词：振荡电路稳压电容

黄金萍

（珠海城市职业技术学院，广东珠海 519000）

随着电子产品向小型化和节能环保方向发展，采用开关电源供电是电子产品的一大变革，开关电源由于其功耗低、效率高、体积小、重量轻，成为稳压电源的发展方向，近年来已被广泛应用于各类电子产品中。

1 典型开关电源的电路结构

典型开关电源通常由输入抗电磁干扰（EMI）滤波器、工频整流滤波电路，功率变换电路、PWM控制器，高频整流滤波电路、电压反馈电路以及辅助电路等组成，其组成如图1所示。

图1 电路结构框图

1.1 EMI滤波器

在AC／DC变换器中，EMI滤波器用以隔离电网与开关电源之间的射频干扰，起着双向滤波的作用，一方面对输入交流电网中的电磁噪声及干扰进行抑制，防止进入直流侧；另一方面也防止直流侧的高频杂波回馈到交流电网。EMI滤波器的典型电路如图2所示。C3、L1、C4构成双π型滤波网络，是EMI的主体，其中L1为共模电感，一般为10～30mH，可抑制电网的共模干扰；C3、C4为差模滤波电容，可滤除电网的尖峰电压；C1、C2为安全电容，两电容串联后中点接大地，具有滤除电网差模和共模干扰的双重作用。EMI的选择与设计取决于开关电源的功率。

图2 典型电路图

1.2 工频整流滤波电路

工频整流滤波电路通常采用桥式整流电容滤波的形式。在开关电源中，考虑设备的通用性，交流输入电压的范围通常在100～115V或85～265V，滤波电容上是有纹波的直流电压，该电压的最大值为交流电压有效值的倍，其最小值与交流电压的最低值有关。滤波电容的容量增大，会增大电容的成本，纹波的减小并不很明显，但更低的容量会增大纹波电压。当交流电压为220V时，经桥式整流电容滤波得到约300V左右的直流电压。

1.3 功率变换电路

功率变换电路实质上是一个振荡电路，是开关电源的关键部分，主要包括：开关管、启动电路、开关变压器、正反馈网络，其中开关管是功率变换器的核心部件。根据开关管的连接方式不同，开关电源可分为串联式、并联式、变压器式三种类型，由于变压器式开关电源可同时输出多组不同大小和极性的电压，只需要改变开关变压器的匝数和漆包线截面积的大小即可方便地改变输出电压和电流的大小，因而被广泛应用。反激式开关电源的功率变换器如图3所示，开关管通过启动电路（图中未画出）、正反馈、PWM控制实现高频振荡，并通过开关变压器输出高频脉冲电压，完成直流—交流变换。

图3 功率变换电路图

1.4 PWM控制器

开关电源中开关管的控制方式有脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制三种，其中，PWM方式具有固定开关频率，设计简单的特点，因此，应用最为普遍。目前，开关电源大多采用PWM控制方式，众多厂家已将PWM控制器设计成集成模块，以方便用户选择。

PWM控制电路的典型结构有三种，一是自激振荡型PWM控制电路，该电路通过启动电阻，利用正反馈使开关管产生高频自激振荡，这种电路结构简单、成本低，一般应用于小功率的反激式开关电源中，例如各种电器设备的待机电源、手机充电器等；二是单片集成PWM控制模块，典型型号如 TL494、KA7500、SG3525、UC3842／3／4／5系列等，单片集成PWM控制模块具有集成度高、外围电路简单，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点，目前在中、小功率开关电源、精密开关电源、特种电源以及电源模块中广泛应用，如计算机、电视机、DVD、LED电源等；三是单片开关电源，即将PWM控制、功率开关管（MOSFET）、保护电路等集成在芯片中，通过高频变压器即可实现直流输出端与电网完全隔离，外部只需配套整流滤波器、高频变压器、漏极钳位保护电路、反馈电路、输出电路，即可构成开关电源，典型型号有TOPSwitch－Ⅱ系列三端芯片、TinySwitch四端芯片。广泛应用于家用电器的辅助电源、便携式充电器等大功率电器。

1.5 高频整流滤波电路

高频整流滤波电路用于AC／DC或DC／DC变换器的输出端，其工作频率与开关电源开关管的工作频率相同，典型的高频整流滤波电路如图4所示。反激式开关电源的高频整流滤波电路较简单，但整流二极管承受的冲击电流较大，电流纹波较大，可适当加大滤波电容的容量。正激式开关电源的高频整流滤波电路必须串联滤波电感和续流二极管，滤波电感的大小直接影响整流二极管和续流二极管的冲击电流，电感量越大，冲击电流就小。推挽式开关电源也属于正激式开关电源，其高频整流滤波电路原理与正激式基本相同，只是整流二极管同时承担整流和续流作用。

图4 典型高频整流滤波电路图

1.6 输出电压反馈电路

输出电压反馈电路是所有开关电源都具有的电路。在输入与输出不需要电气隔离的场合，可直接利用电阻分压得到反馈电压，这种方法电路结构简单，PWM控制器由输入电源供电，成本最低，稳压性能也很好，缺点是输出与输入必须有公共参考地，适用于非隔离式DC／DC变换器中。在输入与输出需要电气隔离的场合，可在开关变压器增加反馈绕组，从反馈绕组获取电压反馈信号，这种方式适用于反激式开关电源，其电路结构较为简单，但由于是间接稳压，当负载电流变化时，输出绕组的直流电阻产生的压降不会反映到反馈电路中，因此其负载调整数率差，适用于输出电流比较稳定或者对输出电压精度要求不高的电路。也可采用光电耦合器实现电气隔离引入反馈。

1.7 辅助电路

开关电源工作时还需一些辅助电路才能正常可靠地工作，有些辅助电路包含在主电路环节中，这里介绍开关电源中的常用辅助电路。

1.7.1 尖峰电压吸收电路

尖峰电压吸收电路是反激式开关电源必须的辅助电路。当开关管由导通变成截止状态时，由于高频变压器存在漏感，在一次绕组上会产生尖峰感应电压，此电压与直流输入电压叠加后加到开关管MOSFET的漏极，很容易损坏开关管，为此，必须加以保护，常见的尖峰电压吸收电路如图5所示。吸收电路可并联在高频变压器的一次绕组上，也可以连接在功率MOSFET的漏极与地线之间。缓冲吸收电路和钳位电路具有不同的功能，（a）图缓冲电路用于降低尖峰电压幅度和减小电压波形的变化率，有利于功率开关管工作在安全区。（b）图钳位电路仅用于降低尖峰电压幅度，防止功率开关管因过压而造成雪崩击穿。（c）图软钳位电路的参数选择合理时，可以同时起到钳位和缓冲的作用。

图5 尖峰电压吸收电路图

1.7.2 保护电路

开关电源中一般设有完善的保护电路，如过压保护、过流保护和过热保护，其保护方式主要是当电路出现过流或过压时使电路停振，达到保护的目的。

过流保护电路一般在MOSFET开关管的源极串联一个小阻值的电阻，作为过流检测元件，当开关管电流过大时，电阻上的电压增大，此电压以控制电路，使振荡电路停振，从而保护电路中的相关元件不至于损坏。

开关电源的过电压保护包括输入过电压和输出过电压保护。其中，输入过电压又分浪涌过电压和电源电压过高两种情况。对浪涌过电压一般在交流电源的进线端串联熔断丝和并联压敏电阻进行保护。对电源电压过高的保护一般是在输入整流滤波之后加入电压检测电路，当直流高压过高时，使电路停止工作，以保护功率开关管不会因过高电压而损坏。现在有些单片开关电源本身就具有过压保护功能。输出过电压会直接造成负载电路的损坏，所以，过压保护的取样点一般在稳压电源的输出端上，当输出电压过高时触发控制电路使开关电路停振，从而起到保护电路的作用。

此外，开关电源的辅助电路还有过热保护电路、尖峰电流抑制电路、功率因数校正电路等，根据设备对电源的要求和应用环境增设相应的电路。

2 开关电源的主要故障及分析

开关电源一旦出现故障，将导致设备不通电，无法工作，因此，当设备出现故障时，要首先检查开关电源是否正常，若确定故障在电源部分，可通过对电源电路中各关键点的检测来判断电源故障所在部位。

2.1 工频整流滤波电路的检测与故障分析

工频整流滤波电路的滤波电容上的电压正常值一般在300V左右，在检测这部分电路时，应注意两个关键点：一个是整流前的电路如保险丝或限流保护电阻是否正常，当保险丝或保护电阻烧坏时，不要轻易更换试机。首先要判断烧坏的原因，是否有负载短路，尤其是开关管击穿，更换开关管前还应检测其外围元件是否损坏，检查无误后才能进行更换。另一个是检测滤波电容器两端电压，正常情况时应为300V左右。该点电压是否正常是决定振荡电路正常工作的首要条件。

2.2 振荡电路关键点检测与故障分析

振荡电路故障是检修的难点，首先要判断是无电压输出还是被保护电路保护而导致无电压输出。检测方法是：先将负载断开，在开关电源输出端接一假负载（可用220V60 W灯泡代替），交流电源输入端接调压器，以便与电网电气隔离。采用低电压供电方式，将开关电源通电，逐渐调节调压器使交流电压慢慢增加，此时检测开关电源的输出电压，观察输出电压的变化，若输出电压为零，说明振荡电路停振，可进行振荡电路和保护的检测；若输出电压随调压器电压升高而变化且在规定的输出电压值不能稳定，则说明稳压电路故障，可对稳压电路进行检测。

检测振荡电路故障应把握三点：①启动电路故障，该电路一般是将300V电压经启动电阻接到开关管的基极，提供启动电压，阻值不正常会引起故障。②开关管损坏导至故障，可检测开关管各极的电压，但必须注意的是，若开关管是MOSFET时，不要轻易检测栅极电压，以免损坏开关管。③反馈网络故障，正反馈网络从高频变压器输出端取反馈电压，通过PWM电路控制开关管，也是故障的多发点。