浅谈开关电源设计原理及故障维修董伟峰

浅谈开关电源设计原理及故障维修董伟峰

董伟峰

（国网福建检修公司福建福州350000）

摘要：随着开关电源的电路拓扑、控制方式等理论和技术的不断完善以及功率开关器件、控制芯片、磁性元件等的不断发展，开关电源的应用领域越来越广泛。但是在实际应用过程中，开关电源还存在一些常见故障，需要做好维修管理工作，进一步提高应用性能。本文对开关电源设计原理进行了简单分析，并探讨了开关电源设计的故障维修策略。

关键词：开关电源；原理；故障；维修策略

引言

电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，功耗小，转化率高，且体积和重量只有线性电源的20%—30%，故目前它已成为稳压电源的主流产品。随着电力电子技术的不断发展，要求开关电源有更高的频率、更高的功率密度、更高的效率、更高的功率因数和更高的可靠性，同时还要做好故障维护，有效控制好各个结构的工作性能，确保开关电源的工作状态。为了达到这些要求，人们已在功率半导体器件选择、拓扑结构研究、控制电路改进以及器件的排列布局等方面进行了不懈地努力，并取得了许多成果。

1开关电源的设计原理

1.1基本结构

开关电源就是利用现代电力电子技术，通过控制电路，使开关器件（如晶体管、MOSFET、可控硅闸流管等）不停地“导通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉宽调制，从而实现DC/AC或DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。开关电源主要由功率回路和控制回路组成，如图1所示。功率回路主要包括：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，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。控制回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。

图1开关电源结构

1.2应用优势

相比传统的线性电源，开关电源中的电力电子器件并不工作在放大状态，而是开关状态，因而工作损耗比线性电源中的调整管小、整机效率可提高。同时，对于输入输出需要隔离的直流电源，开关电源中采用的变压器工作在高频状态，其体积和重量远比工频变压器小，整机的功率密度大大提高。另外，开关电源还具有稳压范围宽、输出滤波电容容量小、电路形式灵活多样等优点。因此，常规开关电源目前广泛用于雷达、通信及家用电器等电子设备中。根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的幵关电源，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，变压器式幵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。

1.3发展趋势

开关电源的主要发展趋势有以下几方面：第一，高频化，为减小变换器体积、提高其功率密度、改善动态响应，开关电源的工作频率从几十、几百不断提升至级；第二，提高效率，应用各种各种软开关技术，包括无源无损（吸收网络）软开关技术、有源软开关技术，如谐振、准谐振、零电压零电流转换技术（以及恒频零开关技术（技术等，减小开关损耗和开关应力，以实现高效率的高频化，提高变换器输入端的功率因素，减少对电网的谐波污染；第三，模块化，适应分布式电源系统的需要，提高可维护性、降低设计分险；第四，全数字化控制，电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。

2开关电源故障维修

2.1输入环节故障维修

对开关电源进行故障检查和维修的过程中，要针对相应问题建构系统化的管控措施和检修验证，以保证其运行效率和整体管理效果的最优化。针对输入环节的检修，就是要检查是否存在交流电输入，若是没有输入，则需要对进线进行断路分析，或者是磨损分析。集中观察是否存在熔断丝异常问题，也要对损坏元件进行系统化整合和检查，针对相应问题要进行元件及时更换，确保输出电压正常即可。

2.2滤波电路故障维修

开关电源故障中针对滤波电路的故障需要要对直流电压的输出情况进行分析，若是没有直流电压输出，则需要借助电阻法对熔断丝结构进行测验，检查其开路情况，针对相应问题进行集中处理，存在开路则要及时更换。并且，也要利用电阻法对滤波电容进行集中测定，若是发生损坏，则需要进行更换，只有保证其电容参数接近无穷大，暂时正常反应。参数出现骤减或者是断路，都需要对异常元件进行更换，并对二极管进行检验，只有保证电压常规化输出，才能表示其运行正常。

2.3脉冲整流输出故障维修

脉冲整流是开关电源运行的一个重要环节，在对其的故障维修中需要加强电阻、电容、二极管等部件的检测和调整，确保脉冲整流输出的准确性。此外，需要对控制电路进行稳定和分析，其中经常出现的问题包括：输出电压与实际不符、光电耦合器的发光二极管异常发亮等，这些问题都需要通过电阻法进行科学的估测和处理，进而确保相应参数和元件结构运行正常，只有保证估测结构符合实际，才能提高集成电路的整体运行效率。

2.4反馈电路故障维修

反馈电路需要保证电流起振正常，在维修中需要进行断电，有效鉴定反馈电路的滤波电容参数，并实施放电操作，利用电阻法对其绕组电阻反馈系统进行有效处理，若是电流较小，则不会出现开路问题。而开关电源在实际运行过程中，最常见的问题就是开关变压器反馈绕组脱焊。因此，需要对反馈电阻、二极管以及反馈电容等基本元件进行集中检验和处理，针对相应问题进行综合维修和替换，从而保证常规化运行。值得一提的是，在开关电源使用芯片时，由于其造价较高，要对其常规化运行状态进行集中校对。

结束语

总而言之，开关电源在现代电力系统和各类电力设备中具有重要的应用价值，相关单位和技术人员要加强对开关电源工作原理的分析和深入研究，并不断进行优化设计，例如大功率高频开关电源的设计，并且从多个方面做好故障检查和维修，进而发挥开关电源的最优性能。

参考文献：

[1]何文志，丘东元，肖文勋，张波.高频大功率开关电源结构的热设计[J].电工技术学报，2013，28（02）：185-191+218.

[2]黄赞武.高频开关电源的设计[D].中国农业大学，2000.

[3]马心灵.开关电源设计原理分析及常见故障维修[J].科技信息，2010，（23）：122-123.