中小功率开关稳压电源的故障分析及维修技巧

2022-11-27曲延昌陈玉玲

设备管理与维修 2022年20期

曲延昌，陈玉玲

（山东工业职业学院，山东淄博 256416）

0 引言

随着现代控制技术在工业中应用越来越广泛，中小功率开关稳压电源在工业设备中的使用量越来越多，因为控制技术及电路的复杂性，在电源出现故障时，通常需要专业人员进行维修。但如果明白这些电源的基本组成和工作原理，了解其故障规律，则一般工程技术人员也能掌握维修技巧。

1 开关电源的基本组成与工作原理

交流工频电压经过整流后变成脉动直流电，再经过PFC 及滤波环节后，变成直流母线高压V+。

开关电源基本结构如图1 所示，脉动直流电经过启动电路为控制电路供电，芯片启动后，输出驱动脉冲，开关电路工作，将直流高压变换成交变电压，通过变压器耦合到二次侧，二次侧交流电经过整流并高频滤波后，变成所需的直流电输出。取样电路将检测电压回馈到控制芯片，控制芯片通过改变脉冲信号的占空比调节输出电压。

图1 开关电源基本结构

2 开关电源的常见故障及维修对策

开关电源通过调节输出脉冲的占空比来保证输出电压的稳定，其前提条件是电路中的各部分能协调工作。据统计，在自动化控制装置中，开关电源的故障约占整个设备故障的60%以上，可见对开关电源进行故障原因分析是设备维护与维修的关键。开关电源的故障类型大致如下：

2.1 承受高电压或流过大电流的器件容易被击穿

在开关电源中，承受高电压的元器件主要集中在一次侧，比如电源入口处的压敏电阻、整流桥及滤波电容等，流过大电流的器件主要包括整流桥和大功率开关管等。不管是过压还是过流，都容易引起保护元件动作，造成熔断器熔断开路。因为熔断器本身不会自行熔断，因熔丝开路必然是其后的电路出了故障，而且故障类型也决定了熔断器的损坏情况。

（1）玻璃管内壁发黑，玻璃管壁有裂纹甚至破碎。这是一种极为严重的短路故障，短路瞬间熔丝直接气化，高温金属蒸汽在碰到温度很低的玻璃管时，造成玻璃管破裂。这种故障的特点是瞬时电流极大，短路发生时电路中几乎没有限流元件。这种故障多是因为电网电压过高造成的，比如雷击以及供电电压异常升高等，造成压敏电阻瞬间动作，巨大的电流流经熔断器，熔断器熔断，切断电源。在电路上低通滤波抑制了雷击电压的继续延伸，使后面的电路得到保护。如果用多用表测量其他元件的参数，则基本是正常的，这就是过压保护的作用。解决的办法是更换相同规格的压敏电阻和熔断器。

（2）玻璃管内壁可见溅射的金属颗粒，玻璃管完好。这种故障显然比上一种情况要轻得多，究其原因，在故障发生时电路中的阻抗限制了电流的上升。这种故障多发生于大功率开关管击穿的情况，根据图1 所示，一般认为主电路中的元件（如电感与电阻）起到限流作用。解决的办法不但要更换损坏的大功率开关管、熔断器，还要测试大功率管的驱动电路和与之串联的电流检测电阻的参数，如果参数不在标称范围内，也应一并更换。另外，工频滤波电容击穿也可造成类似的问题，故障的原因多与电源电压偏高有关。与大功率管的脆弱性不同，电感类器件具有较强的参数忍耐性，允许在短时间内通过的电流可数倍于额定值而不损坏，因此，发生短路故障时，变压器、电感损坏的可能性不大。

2.2 小元件引起的故障

开关电源故障之所以难以维修，原因之一是元器件数量多，且型号复杂，不能简单替换。由小元件引起的故障有如下3 类。

（1）上电后，电源无输出。测量直流母线高压，电压值正常。出现这种故障的原因可能是启动电路不工作。顾名思义，启动电路是为整个电源提供一个启动条件，如果条件满足，电路就起振，电源有正常的输出。如果条件不满足，电源就不能输出。为保证可靠稳定供电，离线式开关电源的控制IC 的电源端需要对地并接一只电容器，而启动电阻就是脉冲直流电对该电容器的充电电阻。在正常情况下，电阻两端需要承受数百伏的直流电，其功耗不容忽视，但如果其散热条件变差，将引起自身温度升高，严重时造成开路。解决的办法是更换同规格的电阻。

（2）上电后电源的输出时有时无，非常不稳定。因为有输出，说明电路中不可能有击穿的元件，因此在外观上可能看不出明显的损坏痕迹。因为现在的控制IC 的电源引脚普遍都有欠压关闭功能，即当电源引脚上的电压低于欠压动作电压时，控制IC 就立即终止驱动脉冲输出，等该引脚上的电压恢复到正常值时，控制IC 又开始输出驱动脉冲。出现这种故障的重要原因是电源引脚的滤波电容有效容量变小所致。上电后，启动电阻能对该电容器充电，当控制IC 启动工作时，会瞬间将电容上的电压拉低，控制IC 立即进的入欠压关闭状态，这时，电容又被充电，两端电压升高，重复前面的动作。解决的方法是更换容量稍大的电容器，最好选择高频低感型的电容。如果手头没有合适的电容，也可以在原电容引脚的根部并接一只或多只贴片的多层电容，容量应尽量大一些，用以弥补普通电容在高频方面的不足。

（3）冷态启动后电源输出正常，发生故障时无任何的征兆。输出正常，说明电路的控制没有问题。输出不正常，说明电路的某个环节不通，导致不能输出。在长期的维修实践中，这种故障也是开关电源的频发故障。现在的开关电源制作工艺多采用波峰焊接，由于需要兼顾到大小焊盘上锡的均匀性，一般将波峰调得较高，但当锡量不足时，很容易出现个别焊盘上锡不足的情况。这样的焊盘在通过大电流时，必然引起发热等异常情况，时间长了，造成焊锡氧化、渣化，脆性增加，严重的引起断裂。这是造成虚焊故障的主要原因。解决虚焊的办法其实很简单，找到虚焊之处，用焊锡补焊即可，但找到虚焊之处却要费一番功夫，要求维修人员的细心和耐心。

2.3 元件老化引起的故障

开关电源中包含种类很多的电子元器件，这些电子元器件的寿命长短不一，长时间开机，对元件的老化作用明显，元器件的实际参数将偏离额定值。比如滤波用的电解电容，规格书上的有效工作指标大约只有2000 h 左右，实际的寿命可能远大于指标数据，但终究这类器件的寿命是有限的，因此，一般开关电源使用时间长了，因元件老化造成的故障常有发生。比如有的开关电源，在轻负载输出时，电压电流等参数均正常，但当负载加重时，比如负载增大到额定值的70%时，输出电压开始降低。如果将负载降低，输出电压又恢复正常。这种情况就要考虑元件老化的原因。根据经验，元件老化的次序大致是：工频滤波电容、输出高频滤波电容、一般小型滤波电容等。半导体器件也有老化现象，但因为不明显，一般不予考虑。微型继电器的触点出现氧化的现象普遍存在，触点的轻微氧化不影响通过电流，但严重的氧化也是输出不稳定不可忽视的原因。

2.4 其他原因引起的故障

开关电源的技术复杂，除了使用不同种类的电子元器件外，还使用了多种辅材，这些辅材包括磁芯、绝缘材料、金属散热片、导热硅脂等，还有一些辅助装置，如冷却风机等，这些辅材及装置虽然不参与电流的流通，但要承受一定的电压或高温。尽管在正常情况下不会对开关电源的工作产生影响，但是使用时间长了，随着老化程度加深、机内灰尘的增多，在一些重点部位，也会引起故障，例如灰尘在散热片表面过多堆积，会严重影响散热片的性能，造成开关管管芯温度过高，引起炸机。解决的办法是先进行常规检查，打开机箱先清理卫生，可以使用列克赛特喷剂清理灰尘，再进行电气方面的检查。

3 开关电源维修实例

一台数码复印机用的尼吉康开关电源，上电后，操作面板有显示，自检完成后，无任何机械动作。

数码复印机的直流电源采用AC 220 V 供电，电路结构上包括PFC 电路、待机电源、主电源等，输出电压有+5 V1 辅助电源，用于主板供电，+5 V2 用于一般逻辑电路供电，+18 V 是MOS 驱动电路，+24 V 用于电机驱动。

上电后，操作面板有显示，说明为主板供电的辅助电源是正常的，自检完成后无任何机械动作，首先应检查拖动电机的电源和驱动信号。用多用表测量P510 的④⑤端子对地电压，+24 V 电压只存在不到1 s，接着变为0 V。

图2 是根据实际线路绘制的电机供电电路，T001 是主变压器二次侧，其输出电压经过整流滤波后变换成+24 V 直流电压。电机的供电电压从P510的④⑤端子输出。

图2 电机供电电路

+24 V 直流电并不能直接为电机供电，而是受主板的控制。在图3 中来自主板的高电平信号从P503 的端子⑤进入电源板，继电器RL102 线圈得电后，RL102 主触点闭合，+24 V 通过缓启动电阻TH101、TH102 在P510 的④⑤端子上建立起电压，当电压值达到规定值时，D122 击穿，三极管Q104、Q103 相继导通，继电器RL101 得电，其触点闭合，在P510 的④⑤端子上建立起了正常的+24 V 电压。

为了保证电源的稳定可靠，电路中还对各路输出电压设置了过压检测与保护电路，各路输出电压只要输出异常，主板会立即输出控制信号，中止输出（图3）。在该电源中，主要是通过改变PWM 控制电路IC002 的OVP 引脚的电压来达到停止输出的。OVP 是过压输入信号，如果该引脚电压高于动作阈值后，IC002立即停止输出高频驱动脉冲，开关电路停振，T001 无输出，最终+24 V 端电压变为0 V。

图3 主板控制信号电路

图4 是根据实际线路绘制出的与T001 主变压器一次侧PWM 控制芯片有关的局部电路，OVP 引脚是过压保护输入。从图4 中可以看出，热开关SW001触点的断开，以及PC3二次侧的导通都能使OVP 引脚电压的升高。

图4 PWM 控制芯片的接线（局部）

如果将D021 拆除，这样造成IC002 停止输出的因素就只剩PC3 二次侧的导通了。加电测试，PC3 二次侧仍有导通现象，OVP 仍在作用。

检测的重点转向与PC3 一次侧导通有关的电路，图5 绘制的是与PC3 导通有关的电路，从图5 中看出，D121、D125 和D119 构成或门，任何一路输入有效，均可使PC3 一次侧导通。可以只保留一个二极管来验证是哪个信号造成了PC3 的导通。结果发现PC3 的导通与D125 一路的信号有关。CN101 是风扇插座，来自主板的风扇启动信号（高电平）经P503 的③端子进入电源板，最终在C132 上产生直流电压，为直流风扇供电。风扇的状态信号通过R176 输出。加电测试发现，不论接不接风扇，IC106 的7 脚都输出高电平，这显然是不对的，进一步检查发现是D126 被软击穿了。换了相同规格的稳压管后，再开机，电源恢复正常输出了。