便携式船舶通导开关电源的设计维修分析

2021-01-21金祎祺

科学技术创新 2021年2期

关键词：滤波电阻电源

金祎祺

（中海电信有限公司大连分公司，辽宁大连116021）

船舶通信是以船舶为基本承载平台，以水上航行为基本运行环境，服务船舶运行的一种综合性通信系统。为了能够确保以上技术的有效使用，根据船舶通信导航特点来设计出满足需要的电源开关。

1 便携式船舶通导开关电源设计需求分析

1.1 船载通导设备电源性能分析

船载通信导航设备电源性能要高于其他设备。考虑到水面环境湿气比较重、盐分含量高，在电源系统处于工作状态的时候要采取措施避免线路出现短路情况。为了能够达到以上要求要减少分立器件的使用数量，同时，在船舶的核心器件方面要尽可能的使用较高集成度的元件。

1.2 船载通导设备开关电源特点分析

船载通导设备电源开关由多个模块共同组成，具体包含系统控制单元、稳压调节单元、整流单元。为了能够更好的满足直流负载的要求，整个电源的输出功率一般需要设定在70%以上的比例。

2 便携式船舶通导开关电路系统设计

2.1 开关电源系统的基本框架

开关电源系统框架主要由三部分组成，包含电压输出控制模块、DC-DC 变换模块、交直整流模块。电路保护模块。本文结合实际选择UC3843 和UC3844 两种脉宽调制器，UC3843 脉宽调制芯片，它有功能全外围元件简单工作频率高引脚少等特点，其电压调整率为0.01%V，接近线性稳压电源水平。工作频率最高可达500kHz，启动电流1mA 启动电压只要8.5V 以上，占空比范围0-97%。而UC3844 与UC3843 不同之处是：启动电压要16V 以上，占空比范围0-48%，UC3843 的输出频率就是振荡器工作频率。而UC3844 的输出频率是振荡器频率的二分之一。

2.2 控制模块的设计

在整个控制模块中通过对反馈信号参数和电路负责PWM单元的综合比对处理来完成对数据的监督控制。这个时候基准电压模块会负责向电压比较器提供能够测试温度的恒定电压值。系统驱动电路一般会选择大功率MOS 管，为整个系统运作提供持续的电压支持。不仅如此，驱动电路还具备比较快速的响应机制，在抗干扰能力方面性能优越。船舶通导开关电源在使用的过程中还需要注重保护电路，目的是在极端的环境下通过调整电路工作状态来确保电路始终处于良好的工作状态。在这个过程中如果电压超过电路的负载能力，就需要及时中断系统输出，目的是更好的保护核心电路模块，避免电路模块被烧坏。多数保护电路模块都会涉及到温度过低的保护单元、输入欠压单元、短路中断单元、静电保护单元等。

2.3 应用电路

使用UC3843 脉宽调制器，使用它脉宽可调的固定频率的脉冲输出，推动开关管的导通和截止，通过高频变压器将电压输出到次级绕组上，再经快恢复二极管整流和电容滤波向负载提供直流电，电源兼反馈绕组获得控制电压的同时还能输入UC3843的误差放大器电压，与其内部基准电压比较而产生控制电压，从而控制输出脉宽的占空比，最终达到稳压目的。下面是分析使用UC3843 的一个船用设备电源电路，此电路小巧高效耐用。在此电路中为了抑制和减少对电源线的高频杂波干扰，在电感线圈L1 周围建立由C1,C2,C3,C4 组成的滤波器。此外，由R3 和C10组成的RC 缓冲器可以防止在过渡期间出现不必要的振荡。二极管D7 与R16 和电容C19 一起能钳制开关管Q1 的瞬态电压尖峰。当电源接通时，电容器C6 通过R1 充电，当电压超过约8.7V 时，控制器U1 开始工作产生震荡推动Q1 工作, 几个周期后，电源从变压器的自举绕组T10 和T11 经D2,D1 整流，C9，C6滤波D9 稳压后输送到U1 电源端，以维持控制器U1 的供电。自举绕组的整流电压也用于调节输出电压，主要由R8 和R11 决定。反馈电压引至U1 的第2 脚。电阻器R10 和R9 以及电容器C17 构成电压调节补偿电路。控制器工作频率约为100kHz，由R7 和C16 决定。开关管工作电流由R15 检测，经R14 和C18 滤波后引至U1 引脚3。此电流感应到电压是一个斜率值，与电压调节电路确定的基准电平相比较。当检测电压超过基准电平时，控制器U1 关闭Q1。这个电流检测电路形成一个电流调节回路，这样就能稳定电压和防止大电流损坏开关管Q1。

图1

扼流圈L2 和L3 是低通滤波器的一部分，用于抑制电压尖峰在测试点P 上，用示波器可以观察到输入电压12V 时待机与加负载时的标准波形。

图2

输入电压24V 时待机与加负载时的标准波形。

图3

UC3843 与UC3844 外形一样，管脚排列也一样

图4 是用UC3844 构成的一个24V 开关电源电路这种单端反激式开关电源，是成本很低的一种电源电路，其输出功率为10W～160W，工作频率在20kHz～300kHz 之间，接近线性稳压电源的调整率，启动电流很低。开关稳压电源的反馈回路决定了开关电源的精度和整体性能。这种基于电流型脉宽调制芯片的反馈回路，采用可调式精密并联稳压器加光耦器接法，具体使用TL431 与PC817。这种方法因为使用精密电压源做控制参考电压，所以控制精度可以非常高，所以性能稳定故障率低。

图4

R16 电阻作用：一是指示电源是否有输出，便于故障的排查；二是可以进行放电，避免输出侧的电容长时间带电而造成安全隐患；三是可以在空载时给电源一个小的负载。输入的交流电经整流滤波后变为350V 直流电，经电阻R6 降压后加到UC3844 的电源端，为其提供启动电压，当电路启动后变压器的次级线圈经过D6,L1 和C10 整流滤波后为UC3844 提供正常工作电压。UC3844 第6 脚输出的方波信号经R7 驱动场效应管导通或截止。这两路交流电经整流滤波后输出+5V 和+24V 直流电供负载使用。+5 V 为CPU 板提供电源，+24V 电源为主电源。电阻R9 用于电流检测，其在工作时上端电压经R10 和C9 滤滤后送入UC3844 的3 脚形成电流反馈环，当第3 脚电压高于1 V 时振荡器停振，保护功率管不至于因过流而损坏。高频变压器初级线圈并联的R1，C6，D5 组成的缓冲电路是用于限制高频变压器漏感造成的尖峰电压对场效应管的损坏，场效应管截止时高频变压器漏感引起的尖峰电压通过D5 向C6 充电，场效应管导通时C6 经过R1 来放电。

3 开关电源维修技巧

3.1 电源输入电路故障

开关电源的输入电压来自变压器主电路的直流回路的两端：P 端和N 端，PN 端间的直流电压约为350 V 左右，加电后测量PN 端之间的电压是否有直流350 V，若是，前级整流滤波电路不存在故障，若不是，测量整流模块和滤波电容的好坏。

3.2 UC3844 振荡电路故障

如果加电后开关电源无输出，有可能是UC3844 震荡电路故障。先测量UC3844 第7 脚有没有16 V 以上电压，若没有，先检测启动电阻R6 有无损坏。再测量第8 脚有无5 V 电压，若有5 V 电则UC3844 芯片正常，若没有5 V 电压则芯片损坏。然后再测量UC3844 的6 脚有无114.6 kHz 波形输出，若有波形输出则振荡电路基本正常，若没有则要检查R7R8 和C10 这3 个元器件的好坏，还要检查振荡电路是否有虚焊、断路故障。UC3844 振荡电路还存在保护停振情况，当第3 脚电压升到1 V 以上，或者第1 脚电压降到1 V 以下时，振荡电路会停止振荡，第6 脚无方波输出。

3.3 场效应管和高频变压器损坏

若开关电源无电压输出，则也可能是场效应管和电阻R9 损坏，也可能是高频变压器故障。测量高频变压的初次级线圈是否存在开路和短路情况。然后用电阻法测量开关管有无击穿现象，取样电阻R9 有可能在场效应管损坏时因受冲击而阻值变大或断路。场效应管的G 极串联电阻R7 和震荡芯片往往受强电冲击而损坏。这时就要同时更换。

3.4 反馈电路故障

若加电后开关电源有输出，但两路输出电压都不准时，则是稳压反馈电路存在故障。测量TL431 和PC817 的好坏，再检查稳压反馈电路中各电阻电容好坏和是否有虚焊、断路情况。

3.5 输出电路故障

如果开关电源出现“打嗝”情况，该情况可能是输出电路故障引起。输出电路的大电流会引起开关电源出现保护情况，如果负载是打印机等有电机等的负载电路，往往是滑轨或者齿轮组件缺少润滑油润滑，造成阻力过大，而造成工作电流超限的现象。如果开关电源出现间歇性振荡。则输出电路可能有滤波电容老化、或者整流二极管损坏、负载电路短路等故障原因。