机电设备单片开关电源故障诊断与维修技术探讨

王澄睿

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

1 前言

机电设备作为现代工业生产活动中的重要组成部分，得到人们越来越多的重视。电源作为机电设备的核心电力供给，其质量好坏直接影响整个机电设备的可靠性。

因单片开关电源具有输出稳定、保护全面、功耗小、效率高等优点，所以广泛应用于机电设备供电电源中。但由于其体积小、频率高、元器件相对较多，所以发生故障的概率也相对较高。

单片开关电源一旦发生故障，由于开关电源应用电路结构复杂，且在维修过程中大多缺少技术图纸，给故障定位及维修工作带来诸多不便。

针对上述问题，本文从机电设备常用开关电源设计思路出发，介绍其主要电路组成结构和工作原理。在此基础上，对单片开关电源进行故障类型分类，并以flyback（反激式）开关电源为例，详细阐述单片开关电源故障定位及维修维护方法，可有效提高相关技术人员的电源维修效率。

2 机电设备常用开关电源工作原理分析

2.1 开关电源主要组成结构

一般而言，机电设备单片开关电源由输入整流滤波电路、高频功率变换电路（DC/DC Converter）、脉冲宽度调制（PWM）控制电路、输出滤波电路四个部分组成。基本结构如图1所示。

图1 机电设备单片开关电源基本结构

（1）输入整流滤波电路可将电源输入交流电转换为较为平滑的脉动直流电。

（2）高频功率变换电路可将前级电路中直流电斩波变换成所需特性的方波。

（3）输出滤波电路可对前级变换方波进行滤波，使其输出所需直流电。

（4）脉冲宽度调制（PWM）控制电路可对输出电压进行实时监测反馈，通过调整PWM波占空比的方式调节输出电压，使其稳定输出所需直流电。

2.2 常见单片开关电源工作原理

单片开关电源主要是利用开关器件（BJT、MOSFET、IGBT等）的开关特性，通过调节开关器件的占空比来对输入电压进行脉冲调制，进而控制开关电源的输出电压。

由于flyback（反激式）单片开关电源具有隔离特性，常使用于机电设备小功率电源场合。故本文以flyback（反激式）单片开关电源为例，介绍其主要工作原理。flyback（反激式）单片开关电源基本拓扑结构如图2所示。

图2 flyback开关电源拓扑结构

如图2（a）所示反激式开关电源拓扑图。当开关管Q导通时，电源输入端为变压器提供能量，输入电压加在原边电感LP上，原边电流IP逐渐增大，并以电感的形式储存能量。由于变压器原、副边的同名端绕制方向相反，所以此时副边NS电压极性为下正上负，使VD1截止。此时输出电容CO向负载放电，负载电流为IO。

如图2（b）所示反激式开关电源拓扑图。当开关管Q关断时，变压器原边绕组电流突然中断，根据电磁感应原理，此时变压器原边NP将会产生感应电压，其极性为下正上负，通过VD2和VZ形成回路。同时，副边NS产生感应电压，其极性为上正下负，使VD1导通产生电流IS，IS向输出电容和负载供电。

由于此拓扑结构是在开关管关断时向负载提供能量，所以将其命名为flyback（反激式）开关电源。此外，flyback（反激式）开关电源可以通过改变变压器匝比的方式来实现升降压变换。

3 机电设备常用开关电源故障分析方法

3.1 单片开关电源故障分类

根据单片开关电源故障特点可将其划分为两大类：突发性故障与渐进性故障。

突发性故障是由于系统外部因素对电源系统冲击产生，该类故障发生前征兆不明显，且无固定发展趋势，发生时常表现为系统直接崩溃。

渐进性故障是由于系统内部参数逐渐退化产生，该类故障发生前常表现为系统运行不稳定，带载能力较差，随着后续使用逐步发展为系统崩溃。

3.2 单片开关电源故障处理

在对单片开关电源进行故障处理时，首先需要根据开关电源实际功率值和电源PCB板电路结构判断所采用的拓扑结构。机电设备常见单片开关电源不同功率等级应用范围如图3所示。

图3 机电设备常见单片开关电源功率等级应用范围

下文将以flyback（反激式）单片开关电源为例，分步详细介绍不同状态下单片开关电源维修判断方法。

（1）断电状态测试。确认电源功率等级及拓扑方式后，下一步判断故障原因是否为因突发性故障造成主拓扑回路器件承受过大应力直接损坏。在断电状态下，可根据表1所列方法进行故障判断。

（2）通电状态测试。在断电状态下，可初步判断单片开关电源损坏器件并进行替换。但确认单片开关电源是否修好，还需对单片开关电源进行通电测试。单片开关电源上电后，测试电源输出是否正常，如此时电源输出异常，则需从设计思路出发，判断具体故障回路。

首先，需要将主回路与控制回路断开，单独对控制回路进行上电，判断控制回路产生的锯齿波是否正常（图4）。

图4 控制回路单独上电锯齿波

判断方法 判断操作流程问 询问操作者机电设备电源损坏的过程。在损坏之前设备有无出现异常，如频繁启停、过载、冒烟等闻打开电源外壳，闻电源内部是否有元器件烧焦的糊味。以此判断是否是由于元器件雪崩击穿造成电源系统故障望查看单片开关电源内部器件是否出现明显损坏。如保险丝熔断，二极管、三极管外壳开裂等器件直接损坏故障测在断电状态下，针对元器件特性使用万用表初步判断器件是否损坏。如二极管单向导通、功率电阻阻值等参数

如此时控制回路产生的锯齿波异常，则需判断控制芯片是否损坏，进行控制电路测试维修。

确定控制回路输出正常后，从交换节点处将主拓扑回路分为两部分，测试图5所示主拓扑回路前端输入电压VIN是否正常。

图5 主拓扑VIN输入电压波形

如此时主拓扑回路前端输入电压VIN异常，则需判断前级整流二极管等元器件是否损坏，进行前级整流滤波电路测试维修。

确定主拓扑前端输入电压VIN正常后，将单片开关电源主拓扑回路与控制回路连接，进行上电测试，此时监测图6所示电源交换节点VSW处波形是否正常。

图6 交换节点VSW波形

如此时交换节点VSW处波形异常，则需判断开关管及钳位电路等元器件是否损坏，进行功率变换电路测试维修。

确定输出电压VSW正常后。此时监测图7所示电源输出电压VO波形是否正常。

图7 输出电压VO波形

如此时输出电压VO波形异常，则需判断后级滤波电路及反馈侧元器件是否损坏，进行后级滤波电路测试维修。

4 结语

本文详细阐述了机电设备单片开关电源主要组成结构及工作原理。在此基础上，介绍了单片开关电源故障分类方法，并从设计思路出发，探究机电设备单片开关电源故障判断与维修方法。

本文以flyback（反激式）单片开关电源为例，分步阐述断电状态和通电状态下故障维修方法。通过断电状态测试，可排查因承受过大应力直接损坏的器件，进行初步故障判断维修；通过通电状态测试，逐步监测图1所示机电设备单片开关电源基本结构中各功能模块电路运行状态，全方位有条理的进行故障监测维修，可有效提高机电设备单片开关电源故障维修效率。