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1、开关电源的原理分析与维修开关电源的原理分析与维修 一、【什么是直流电源】？一、【什么是直流电源】？n n电源就是把其他形式的能转换成电能的装置叫电源就是把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。发电机能把机械能转换成电能，干电做电源。发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能池能把化学能转换成电能.干电池等叫做电源。干电池等叫做电源。n n通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源或者叫直流电源装置叫做整流电源或者叫直流电源 n n直流电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器或电源适配器，它提供电子板卡所有部件所需要的电能。
2、直流电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响电子板卡的工作性能和使用寿命 n n直流电源是一种安装在封闭式独立外壳的部件，它的作用是将交流电换为直流+5V，+12V，+24V等稳定的直流电源，以供应给AFC系统内的各种电子板卡版使用。二、【直流电源分类】二、【直流电源分类】根据直流电源工作原理不同大致可分为线性电源与开关电源两大类 n n1 1 1 1、线性电源、线性电源、线性电源、线性电源 n n2 2 2 2、开关电源、开关电源、开关电源、开关电源 1 1、线性电源、线性电源 n n顾名思义，线性电源就是稳压调整管工作在线性区间的直流电源。线性电源n n线性电源主要包括工频变压器、输
3、出整流滤波器、控制电路、保护电路等。线性电源n n线性电源是先将交流电经过变压器变压后，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，最后经过调整管调整后输出稳定的直流电压。n n要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音。n n但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片。这种电源不适合大型紧密的电子设备的需要，将逐步被开关电源所取代。
4、线性电源的组成电源变压器n n将电网交流电压（220V）变换成符合需要的交流电压，此交流电压经过整流后可获得电子板卡所需的直流电压。整流电路n n利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50Hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。滤波电路n n利用电容器C的储能特性，通交隔直的性质，把电容C与整流电路的负载并联，就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。稳压调整电路n n当当电电网网电电压压或或负负载载电电流流发发生生变变化化时时，滤滤波波电电路路输输出出的的直直流流电电压压的的幅幅值值也也将将随随之之变变化化，因因此此，稳稳压压调调整整电电
5、路路就就是是通通过过控控制制调调整整管管的的两两端端压压降降使使输输出出的的直直流流电电压压基基本本上上不不随随交交流流电电网网电电压压和和负负载载的的变变化化而而变变化化。简简单单的的小小型型稳稳压压元元件件如如78XX78XX系系列列稳稳压压ICIC2 2、开关电源、开关电源n n开关电源就是电网交流电压（220V）直接整流滤波后得到+300V左右的电流电再通过电路控制开关管进行高速的导通与截止将+300V直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行降压！n n转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比工频50HZ高很多所以开关变压器可以做的很小，而且工作时自身损耗低，发热
6、量少，成本低。故其克服了线性电源的缺点。应用广泛。开关电源电路的组成整流滤波n nAC220V输入经整流滤波成+300V直流电加至T2初级绕级。脉冲振荡器n n提供脉冲三角波供脉宽调制。脉宽调制n n把脉冲三角波与反馈信号合成调整成脉宽调制方波。推动级n n把脉宽调制方波放大至一定电压去推动开关管。n n小功率开关电源可能没有推动级逆变n n脉宽调制信号控制开关管VT，将+300V直流电经开关变压器初级和开关管VT形成回路。开关变压器起振，次级感应输出高频交流电压整流滤波n n开关变压器次级感应出的高频电压，经电感电容整流滤波后输出+24V。反馈n n输出部分通过分压取样电路反馈给放大电路与基
7、准电压进行比较放大后控制脉宽调制方波占空比，以达到稳定输出电压的目的。n n从图中可以看出，交流从图中可以看出，交流220V220V市电经直接整流和市电经直接整流和初步滤波后成为末稳直流电压。该电压经初步滤波后成为末稳直流电压。该电压经T2T2初初级和开关调整管级和开关调整管VTVT形成回路。由于开关调制而形成回路。由于开关调制而工作于开关状态，所以通过工作于开关状态，所以通过T2T2初级线圈的电流初级线圈的电流为脉冲电流，此电流经为脉冲电流，此电流经T2T2变换成为所需的电压，变换成为所需的电压，经整流滤波而成为输出电压经整流滤波而成为输出电压VoVo。n n输出电压Vo经取样电路取出，经比
8、较放大电路与基准电压对比，得出误差电压。该误差电压用来控制脉冲宽度调制器，改变由脉冲振荡器送来的脉冲宽度，从而控制开关调整管导通时间，达到调压的目的。n n开关电源一般还应该增加一些保护电路，比如空载、短路、过压、欠压等保护，否则可能会烧毁开关电源。n n其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片，可以使外围电路非常简单，功率可以做到很大，保护功能很全面，甚至做到免调试。目前AFC设备的直流电源中常用的控制芯片有TL494，UC38XX系列。三、【以三、【以C3842C3842芯片为核心芯片为核心控控制部件制部件的开关电源原理分析】的开关电源原理分析】UC3842的概述与特点n nUC3842是一
9、种高性能的固定频率电流型控制器，单端输出，可直接驱动晶体管和场较应管，具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，在100W以下的开关电源中有很好的应用前景。n nUC3842UC3842是开关电源用电流控制方式的脉宽调制是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路。与电压控制方式相比在负载响应和集成电路。与电压控制方式相比在负载响应和线性调整度等方面有很多优越之处。线性调整度等方面有很多优越之处。n n最高电源电压最高电源电压 Vcc 30 VVcc 30 Vn n最大输出电流最大输出电流 Io Io 1 A1 An n误差放大器最大电流误差放大器最大电流 Isin
10、kIsink（EAEA）10 mA10 mAn n误差放大器输入电压误差放大器输入电压 VinVin（EAEA）+6.3 V+6.3 Vn n功耗功耗 PD 1 WPD 1 WUC3842主要功能n n*内含欠电压锁定电路内含欠电压锁定电路n n*低起动电流（典型值为低起动电流（典型值为 ）n n*稳定的内部基准电压源稳定的内部基准电压源n n*大电流推挽输出（驱动电流达大电流推挽输出（驱动电流达 1A 1A）n n*工作频率可到工作频率可到 500kHz 500kHzn n*自动负反馈补偿电路自动负反馈补偿电路n n*双脉冲抑制双脉冲抑制n n*较强的负载响应特性较强的负载响应特性n nUC
11、3842是单电源供电，带电流正向补偿，单路调制输出的集成芯片，其内部组成框图如图所示。n n1 1脚脚外外接接阻阻容容元元件件，用用来来补补偿偿误误差差放放大大器器的的频频率率特特性。性。n n2 2脚脚是是反反馈馈电电压压输输入入端端，将将取取样样电电压压加加到到误误差差放放大大器器的的反反相相输输入入端端，再再与与同同相相输输入入端端的的基基准准电电压压进进行行比比较较，产产生生误误差差电压电压。n n3 3脚脚是是电电流流检检测测输输入入端端，与与电电阻阻配配合合，构构成成过过流流保保护电护电路。路。n n4 4脚脚外外接接锯锯齿齿波波振振荡荡器器外外部部定定时时电电阻阻与与定定时时电电
12、容容，决定振决定振荡频荡频率。率。n n5 5脚是接地脚。脚是接地脚。n n6 6脚脚是是输输出出脚脚接接开开关关管管的的G G极。极。n n7 7脚是脚是电电源脚。源脚。n n8 8脚是基准电压输入脚，脚是基准电压输入脚，基准电压基准电压VREFVREF为为5V5V。输出电压将决定变压输出电压将决定变压器的变压比。器的变压比。n n由图可见，它主要包括高频振荡、误差比较、欠压锁定、电流取样比较、脉宽调制锁存等功能电路。n nUC3842UC3842主要用于高频中小容量开关电源，用它主要用于高频中小容量开关电源，用它构成的传统离线式反激变换器电路在驱动隔离构成的传统离线式反激变换器电路在驱动隔
13、离输出的单端开关时，通常将误差比较器的反向输出的单端开关时，通常将误差比较器的反向输入端通过反馈绕组经电阻分压得到的信号与输入端通过反馈绕组经电阻分压得到的信号与内部内部2 25V5V基准进行比较，误差比较器的输出基准进行比较，误差比较器的输出端与反向输入端接成端与反向输入端接成PIPI补偿网络，误差比较器补偿网络，误差比较器的输出端与电流采样电压进行比较，从而控制的输出端与电流采样电压进行比较，从而控制PWMPWM序列的占空比，达到电路稳定的目的。序列的占空比，达到电路稳定的目的。电路工作原理分析n n下图是一、二号线TVM+5V直流电源。它是一款以UC3842为核心控制部件的一款AC 22
14、0V输入，+5V、12A输出的单端反激式开关稳压电源。开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。变换器的幅频特性为单极点，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性n n主要的功能模块包括：启动电路、过流过压欠压保护电路、反馈电路、整流电路+5V开关电源电路图启启动电路路n n如如图图所所示示交交流流电电由由C28C28、C32C32、C1C1以以及及L1L1、C4C4、C2C2、C3C3进进行行低低通通滤滤波波，其其中中C1C1、C4C4组组成成抗抗串串模模干干扰扰电电路路，用用于于抑抑制制正正态态噪噪声声；C28C28、C32C32、L1L1、C2C2、C3C3组组成成抗抗共共模模干干扰扰电
15、电路路，用用于于抑抑制制共共态态噪噪声声干干扰扰。它它们们的的组组合合应应用用对对电电磁磁干干扰扰由由很很强强的的衰衰减减旁旁路路作作用用。ZNR1ZNR1、R1R1组组成成抗抗高高压压保保护护电电路路，当当瞬瞬间间电电压压过过高高时时ZNR1ZNR1击击穿穿短短路路，烧烧断断保保险险丝丝从从而而保保护护电电路路不被不被损损坏。坏。n n滤波后的交流电压经BD1桥式整流以及电解电容C5滤波后变成+300V的直流电压，此电压经R4、R29降压后给C9充电，当C9的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由脚6输出推动开关管工作。n n随着UC3842的启动，R
16、4、R29的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压给UC3842供电。短路短路过流、流、过压、欠、欠压保保护电路路n n由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会导致电路出现短路、过压、欠压等不利于电路工作的现象发生，因此，电路必须具有一定的保护功能。过流保护n n如如图图所所示示，如如果果由由于于某某种种原原因因，输输出出端端短短路路而而产产生生过过流流，开开关关管管的的漏漏极极电电流流将将大大幅幅度度上上升升，R6R6两两端端的的电电压压上上升升，UC3842UC3842的的脚脚3 3上上的的电电压压也也上上升升。当当该该脚脚的的电电压压超超过过正正常常值值
17、0 03V3V达达到到1V(1V(即即电电流流超超过过1 15A)5A)时时，UC3842UC3842内内部部的的PWMPWM比比较较器器输输出出高高电电平平，使使PWMPWM锁锁存存器器复复位位，关关闭闭输输出出。这这时时，UC3842UC3842的的脚脚6 6无无输输出出，MOSMOS管管Q1Q1截止，从而保护了电路。截止，从而保护了电路。短路保护n n如果人为意外地将输出端短路，这时输出电流将如果人为意外地将输出端短路，这时输出电流将成倍增大，使得自动恢复开关成倍增大，使得自动恢复开关RFRF内部的热量激增，内部的热量激增，它立即断开电路，起到过压保护作用。一旦故障它立即断开电路，起到过
18、压保护作用。一旦故障排除，自动恢复开关排除，自动恢复开关RFRF在在5s5s之内快速恢复阻抗。之内快速恢复阻抗。过压保护n n如如果果供供电电电电压压发发生生过过压压(在在265V265V以以上上)，UC3842UC3842无无法法调调节节占占空空比比，变变压压器器的的初初级级绕绕组组电电压压大大大大提提高高，UC3842UC3842的脚的脚7 7供电电压也急剧上升，关闭输出。供电电压也急剧上升，关闭输出。欠压保护n n如果电网的电压低如果电网的电压低于于160V160V，UC3842UC3842的脚的脚1 1电压也下降，电压也下降，当下降当下降lV(lV(正常值正常值3 34V)4V)以下时
19、，以下时，PWMPWM比较器输出高比较器输出高电平，使电平，使PWMPWM锁存锁存器复位，关闭输出。器复位，关闭输出。反馈电路反馈电路n n反馈电路采用精密稳反馈电路采用精密稳压源压源TL431TL431和线性光耦和线性光耦CNH82ACNH82A。利用。利用TL43lTL43l可调式精密稳压器构可调式精密稳压器构成误差电压放大器，成误差电压放大器，再通过线性光耦对输再通过线性光耦对输出进行精确的调整。出进行精确的调整。如图所示，如图所示，R4R4、R5R5是是精密稳压源的外接控精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输制电阻，它们决定输出电压的高低，和出电压的高低，和TL431TL431一并组成外
20、部误一并组成外部误差放大器。差放大器。n n当输出电压升高时，当输出电压升高时，SHR1SHR1取样电压也随之升高，设定取样电压也随之升高，设定电压大于基准电压电压大于基准电压(TL431(TL431的基准电压为的基准电压为2 25V)5V)，使，使TL431TL431输出电压降低，也使输出电压降低，也使U2U2输出电流增大，最后输输出电流增大，最后输出电压趋于稳定；反之，输出电压下降引起设置电压出电压趋于稳定；反之，输出电压下降引起设置电压下降，当输出电压低于设置电压时，下降，当输出电压低于设置电压时，TL431TL431的输出电的输出电压升高，最终使得压升高，最终使得UC3842UC384
21、2的脚的脚2 2的补偿输入电流随之的补偿输入电流随之变化，促使片内对变化，促使片内对PWMPWM比较器进行调节，改变占空比，比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。达到稳压的目的。n n反之，输出电压下降引起设置电压下降，当输出电压低于设置电压时，TL431的输出电压升高，最终使得UC3842的脚2的补偿输入电流随之变化，促使片内对PWM比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。整流滤波电路整流滤波电路n n输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小，影响输出电压的性能。开关电源输出端中对波纹幅值的影响主要有以下几个方面。n n输出电源的噪声，是指输出电源中所包含的交流成分。解决的方案是在
22、电源输出端加电容C21、C22、C23、C24，以滤除此噪声干扰。n n高频信号噪声，开关电源中对直流输入进行高频的斩波，然后通过高频的变压器进行传输，在这个过程中，必然会掺入高频的噪声干扰。还有功率管器件在开关的过程中引起的高频噪声。对于这类高频噪声的解决方案是在输出端采用型滤波的方式。滤波电感采用150H的电感，可滤除高频噪声。n n采用快速恢复二极管D4整流。基于低压、功耗低、大电流的特点，有利于提高电源的效率，其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。四、【以四、【以C3842芯片为核心控芯片为核心控制部件的开关电源维修】制部件的开关电源维修】检修电源要接触到220V高压电，人体一旦接触3
23、6V以上的电压就有生命危险！检修必须严格按照维修规程进行！严禁进行违规的操作！n n由于开关电源工作电压较高，通过的电流较大，发热量大，又工作在有自感电动势的状态下，因此，使用过程中故障率较高。所以要对开关电源电路工作原理认真了解和分析，不能盲目更换电子元件。常见故障维修1、无+24V输出n n首先，开关电源先将电网的交流电（220V）通过桥堆整流以后成为高电压的脉冲直流电，再经过电容滤波以后成为+300V左右的高压直流电。故+300V是判断前级是否故障的测试点。n n+300V直流电经R4、R29降压后给加至UC3842的7脚及C9充电，n n当C9的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，
24、UC3842开始工作，UC3842 7脚电压为15-25V。如果UC3842 7脚的电压不正常，那么整个电路就会停止工作。n n由于开关电源启动时+300V经过R4、R29对C9瞬间进行大电流高电压充电，所以此段电路比较容易损坏，应重点检查。n nR10，C14是UC3842 4脚外接锯齿波振荡器外部定时电阻与定时电容，决定振荡频率，当其阻值或容量发生变化时，将会影响UC3842 4脚的三角波频率，甚至不起振。必要时可以用示波器观察其波形是否正常。n n除上述元件外还有什么元件损坏会引起无+24V输出？常见故障维修2、短路，烧保险丝n n断电情况下用万用表测量保险管后的电源两端正反向及对地电阻
25、，正常时其阻值应能达到100千欧以上。如果电阻值过低，说明电源内部存在短路，短路的原因通常有是开关管Q1短路或高压抗干扰电容击穿。n n由于滤波电容充放电，刚测量瞬间可能有短暂的短路或低阻值现象，这是属于正常的。常见故障维修3、输出电压不稳定，长时间工作电压变化大n n由于开关电源长时间工作，其负载较大，发热量大，内部温度较高，对电子元件的损耗较大。检查重点是受温度影响性能变化较大的电子元件，如电容，开关管，IC，等。对维修此类故障时可用替换法进行检查维修。n n另外，一些大功率开关电源通常配有风扇散热系统。当风扇不转动或积有灰尘而转动不顺畅时会影响到开关电源的散热从而导致开关电源稳定性下降。
26、n n对经常受大电流、大电压冲击的电子元件如滤波电容，可直接进行更换以消除故障隐患。五【直流电源在AFC系统中的应用】n n在AFC系统中，直流电源的应用最为广泛。无论是TVM，AGM还是BOM，SC。稳定的直流电源都是设备正常稳定运行的保障。n n下面就请跟着我们的图片认识AFC系统内的直流电源n n其主要功能是提供+5V，+12V，+24V电压供各模块使用。一、二号线TVM直流电源n n一、二号线TVM直流电源内部分别由+5V，+5V、+12，+24V三个开关电源组合而成+5V电源n n+5V电源它是一款以UC3842为核心芯片的开关电源。输出+5V供负载使用+5V、+12V开关电源n n
27、+5V、+12V开关电源它是一款以TL494为核心芯片的开关电源输出电压为+5V和+12V+24V电源n n+24V电源与+5V、+12V电源的内部电路大致一样，只是增加风扇散热系统。n n除此而外一、二号线TVM内部还有一个独立的触摸屏电源与打印机电源，其输出电压分别为+12V与+24V。+5V和+12V电源板n n+5V和+12V电源板是+24V输入，+5V、+12V两路输出的开关电源。n n电池充放电板的功能是监测输入与输出电路的工作状态，当输出无电或电压低时自动切换至电池供电模式，当输出短路或过流时停止输出，从而保护电路。电池充放电板+24V开关电源n n+24V开关电源的结构与TVM直流电源内的+24V开关电源一样n n+24V开关电源的输出一路供给+5V、+12V电源板。n n另一路直接输出供负载使用。三号线TVM、AGM、TCM电源n n其与一、二号线AGM电源功能大致相同六、【开关电源的维修实操与提问六、【开关电源的维修实操与提问】