开关电源的原理布局和故障检修分析探讨

【摘要】介绍了开关电源的分类、结构、原理。提出了开关电源的布局。最后对开关电源的故障进行了分析，提出了故障检修的一些方法。

【关键词】开关电源;分类;原理;布局;故障检修

1.引言

随着许多高新技术的发展，开关电源技术在不断地创新。开关电源的设计要以安全性、可靠性为首要原则，在各种指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在突发故障情况下安全可靠地工作，本文将详细的分析开关电源的分类、结构、原理、布局、故障提出及检修的技巧分析探讨以供大家参考。

图1 开关电源原理框图

2.开关电源的分类

顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。

开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换;后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换;后两种工作方式多用于开关稳压电源。

根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种;根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种;如果从用途上来分，还可以分成更多种类。

3.开关电源的结构

开关电源主要由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份构成。

（1）主电路

冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

（2）控制电路

一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

（3）检测电路

提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

（4）辅助电源

实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。

4.开关电源原理

我们的各种电路系统里常常会用到开关电源，主要用于获得一定功率的直流电源（多数是24V），我们常看到的开关电源外观上多数象一个小主箱，通过表面开出的很多散热孔可以看到里面的电路板。

高频开关电源由以下几个部分组成：

（1）主电路

从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：①输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。②整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。③逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越校。④输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

（2）控制电路

一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。

（3）检测电路

除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。

（4）辅助电源

提供所有单一电路的不同要求电源。开关控制稳压原理开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量;当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。

改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”

（TimeRatioControl，缩写为TRC）。按TRC控制原理，有三种方式：

（1）脉冲宽度调制（PulseWidthModula-tion，缩写为PWM）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。

（2）脉冲频率调制（PulseFrequencyModula-tion，缩写为PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。

（3）混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。

开关电源原理框图见图1所示。

（1）通电瞬间，灯泡闪亮一下后，逐渐熄灭，则电源从输入至整流滤波均正常，故障应在后面电路。否则电源保险或输入滤波电感开路。

（2）若整流滤波电路正常，则检测开关管两端是否有310V电压，若无，则取样电阻R0或变压器初级开路。

（3）若开关管电压正常，则检测开关管驱动电路是否有几伏至十几伏电压，若无则检测启动电阻和驱动电路。

（4）若驱动有电压，开关管正常，则自激绕组有故障或反馈电路有故障。

（5）若灯泡常亮，则开关管击穿（短路）或整流桥击穿（短路）。

（6）若灯泡周期性亮灭，则负载有短路故障，可着重检测负载。

（7）若更换开关管多次击穿，则检测峰值电压消除电路及负载是否有开路故障。

（8）经过上述维修步骤并检测负载电压基本正常后，即可闭合开关K，再次检测时若输出正常，则说明开关电源已修复。

注意：开关电源负反馈电路及变压器次级绝不能开路，否则会损坏电路其他部分。

5.开关电源的布局

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

当设计高频开关电源时，布局非常重要。良好的布局可以解决这类电源的许多问题。因布局而出现的问题，通常在大电流时显现出来，并且在输入和输出电压之间的压差较大时更加明显。一些主要的问题是在大的输出电流和/或大的输入/输出电压差时调节能力的下降，在输出和开头波形上的额外噪声，以及不稳定性。应用下面的几个简单原则就可以把这类问题最小化。

（1）电感器

开关电源尽量使用低EMI（Electro Magnetic Interference）的带铁氧体闭合磁芯的电感器。比如圆形的或封闭的E型磁芯。如果开口磁芯（open cores）具有较低的EMI特性，并且离低功率导线和元件较远，也可以使用。如果使用开口磁芯，使磁芯的两极与PCB板垂直也是一个好主意。棒状磁芯（stick cores）通常用来消除大部分不需要的噪声。

（2）反馈

尽量使反馈回路远离电感器和噪声源。还要尽可能使反馈线为直线，并且要粗一点。有时需要在这两种方案之间折衷一下，但使反馈线远离电感器的EMI和其它噪声源是两者当中更关键的一条。在PCB上使反馈线位于与电感器相对的一侧，并且中间用接地层分开。

（3）滤波电容器

当使用小容量瓷质输入滤波电容器时，它应该尽可能靠近IC的VIN引脚。这将消除尽可能多的线路电感影响，给内部IC线路一个更干净的电压源。开关电源一些设计需要使用前馈电容器从输出端连接到反馈引脚，通常是为了稳定性的原因。在这种情况下，它的位置也应该尽量靠近IC。使用表贴电容还会减少引线长度，从而减少噪声耦合进因通孔元件而造成的有效天线（effective antenna）。

（4）补偿

如果为了稳定性，需要加入外部补偿元件，它们也应该尽量靠近IC。这里也建议使用表贴元件，原因同对滤波电容的讨论。这些元件也不应该离电感器太近。

（5）走线和接地层

使所有的电源（大电流）走线尽可能短、直、粗。在一块标准PCB板上，最好使走线的每安绝对最小宽度为15mil（0.381mm）。电感器、输出电容器和输出二极管应该尽可能靠在一起。这样可以帮助减少在大开关电流流过它们时，由开关电源走线引起的EMI。这也会减少引线电感和电阻，从而减少噪声尖峰、鸣震（ringing）和阻性损耗，这些都会产生电压误差。IC的接地、输入电容器、输出电容器和输出二极管（如果有的话）应该一起直接连接到一个接地面。最好在PCB的两面都设置接地面。这样会减少接地环路误差和吸收更多的由电感器产生的EMI，从而减少了噪声。对于多于两层的多层板，可以用接地面分开电源面（电源走线和元件所在的区域）和信号面（反馈和补偿元件所在的区域）以提高性能。在多层板上，需要使用通孔把走线和不同的面连接起来。如果走线需要从一个面传输一个较大的电流到另一个面，每200mA电流使用一个标准通孔，是一个良好的习惯。

排列元件，使得开头电流环同方向旋转。根据开头调节器的运行方式，有两种功率状态。一个状态是当开头闭合时，另一个状态是当开头断开时。在每种状态期间，将由当前导通的功率器件产生一个电流环。排列功率器件，以使每种状态期间电流环的导通方向相同。这会防止两个半环之间的走线产生磁场反转，并可减少EMI的放射。

（6）散热

当使用表贴功率IC或外部功率开关时，PCB通常可以用作散热器。这就是用PCB上的敷铜面来帮助器件散热。参照特定器件手册中有关使用PCB散热的信息。这通常可以省去开关电源外加的散热装置。

6.开关电源常见故障及检修技巧

6.1 开关电源常见故障

（1）保险烧或炸;（2）无输出，保险管正常;（3）有输出电压，但输出电压过高;（4）开关电源负载有短路故障;（5）输出电压端整流二极管、滤波电容失效。

6.2 开关电源检修技巧

（1）针对保险烧或炸的故障主要检查300V上的大滤波电容、整流桥各二极管及开关管等部位，抗干扰电路出问题也会导致保险烧、发黑。需要注意的是：因开关管击穿导致保险烧一般会把电流检测电阻和电源控制芯片烧坏。负温度系数热敏电阻也很容易和保险一起被烧坏。

（2）针对无输出，保险管正常的这种现象说明开关电源未工作或进入了保护状态。首先要测量电源控制芯片的启动脚是否有启动电压，若无启动电压或者启动电压太低，则要检查启动电阻和启动脚外接的元件是否漏电，此时如电源控制芯片正常，则经上述检查可以迅速查到故障。若有启动电压，则测量控制芯片的输出端在开机瞬间是否有高、低电平的跳变，若无跳变，说明控制芯片坏、振荡电路元件或保护电路有问题，可先代换控制芯片，再检查元件;若有跳变，一般为开关管不良或损坏。

（3）对于有输出电压，但输出电压过高的这种故障一般来自于稳压取样和稳压控制电路。在直流输出、取样电阻、误差取样放大器如TL431、光耦、电源控制芯片等电路共同构成一个闭合的控制环路，任何一处出问题就会导致输出电压升高。

（4）开关电源负载有短路故障（特别是DC/DC变换器短路或性能不良等），此时，应该断开开关电源电路的所有负载，以区分是开关电源电路还是负载电路有故障。若断开负载电路电压输出正常，说明是负载过重;或仍不正常说明开关电源电路有故障。

（5）而对于输出电压端整流二极管、滤波电容失效的情况，可以通过代换法进行判断。

总之，开关电源故障的检修有易有难，但只要抓住其核心的东西，即充分熟悉开关电源的基本结构及特性，它就能迅速地排除开关电源故障，达到事半功倍的效果。