开关电源常见故障的分析及维修

开关电源的概述及工作原理
     1.1开关电源的概述
    开关电源是一种电源转换电路,一般是将交流电(AC)转换成不同电压的直流电(DC),且电压非常平稳。因开关电源中的开关管(IGBT)总是工作在“开”和“关”的工作状态,所以叫开关电源。它与传统的线性电源相比无论是在工作程式上还是在各方面的性能上都有了质的飞跃。传统的线性电源工作程式一般可归纳为:变压器降压,二极管桥式整流,大容量电解电容滤波,稳压电路或专用稳压IC稳压。而开关电源则不同,它的工作程式一般可归纳为:高压大电流二极管桥式整流,大容量电解电容滤波,中间控制高频变换环节,整流,滤波,稳压及反馈环节,保护环节等。很显然,我们从二者的工作程式可以看出开关电源中省去了笨重,效率低,发热量大的电源变压器,取而代之的是高压大电流整流二极管,加之其控制部分,高频变换部分及较完善的过压,过流,过载保护电路,使得开关电源具有效率高(效率可达90%以上),稳定性好,体积小,重量轻,功耗小,低噪声,发热量小等优点。价格较低廉,小功率的开关电源仅为几元到几十元,如手机充电器,其重量极轻。优异的性能价格比,使得开关电源很快占领了市场,传统的线性电源在如今的市场占有量明显不及开关电源。优异的性能使得开关电源应用范围极其广泛,大到航空航天,军事,国防,医疗,工业设备,小到家用电脑,彩色电视机,手机,MP3,MP4,MP5,电动车充电器等等。开关电源的身影无处不在。开关电源可按电源转换的形式可分为AC\DC和DC\DC两大类,按控制方式可分为调宽式和调频式,按电源相数可分为单相,三相和多相,按电路工作象限可分为第一象限,第二象限,第三象限和第四象限。
    随着电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断的发展和创新,这为开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源小型化,高频化,集成化是其发展方向,高频化是开关电源小型化,使得开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化,轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源,节约资源及保护环境等方面都具有十分重要的意义。
    1.2开关电源的工作原理
    开关电源的主要电路是由:防雷电路,输入电磁干扰滤波器(Electromagnetic Interference,简称EMI),输入整流滤波电路,功率变换电路,脉宽调制(PWM)控制器电路,输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过压,欠压保护电路, 输出过压,欠压保护电路,输出过流保护电路,输出短路保护电路等。开关电源的电路组成方框图如
220V的交流电经交流滤波电路滤除外来的杂波信号,同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网的干扰。再经二极管桥式整流电路和滤波电路,整流滤波后得到约300V的直流电,送给功率变换电路进行功率转换。功率变换电路中的开关功率管(IGBT)就在脉冲宽度调制(PWM)控制器(UC3842)输出的脉冲控制信号和驱动下,工作在“开”“关”状态,从而将300V直流电切换成宽度可变的高频脉冲电压。把高频脉冲电压送给高频变压器,高频变压器的次级(二次侧)就会感应出一定的高频脉冲交流电,并送给高频整流滤波电路进行整流,滤波。经高频整流滤波后便可得到我们所需的各种直流电压。输出电压下降或上升时,由取样电路将取样信号通过光电耦合器(PC817),送入控制电路,经过其内部调制,由控制电路的输出端将变宽的或变窄的驱动脉冲送到开关功率管的栅极(G极),使变换电路产生的高频脉冲方波也随之变宽或变窄,由此改变输出电压平均值的大小,从而使直流电压基本稳定在所须的电压值上。
    一. 开关电源的常见故障分析及维修
    2.1开关电源的常见故障分析及维修
    由于开关电源的输入部分工作在高压,大电流的状态下,故障率最高,如高压大电流整流二极管,滤波电容,开关功率管等较易损坏。其次就是输出整流部分的整流二极管,保护二极管,滤波电容,限流电阻等较易损坏;再就是脉宽调制控制器的反馈部分和保护部分。
    下面就对开关电源常见故障产生的原因作一分析及如何排除这些故障的维修方法。
    一. 保险丝熔断
    一般情况下,保险丝熔断说明开关电源的内部电路存在短路或过流的故障。由于开关电源工作在高电压,大电流的状态下,直流滤波和变换振荡电路在高压状态工作时间太长,电压变化相对大。电网电压的波动,浪涌都会引起电源内电流瞬间增大而使保险丝熔断。重点应检查电源输入端的整流二极管,高压滤波电解电容,开关功率管,UC3842本身及外围元器件等。检查一下这些元器件有无击穿,开路,损坏,烧焦,炸裂等现象。
    维修方法:首先仔细查看电路板上面的各个元件,看是否在这些元件的外表有没有被烧糊, 有没有电解液溢出,闻一闻有没有异味。经看,闻之后,再用万用表进行检查。首先测量一下电源输入端的电阻值,若小于200K,则说明后端有局部短路现象,然后分别测量四只整流二极管正,反向电阻和两个限流电阻的阻值,看其有无短路或烧坏;然后再测量一下电源滤波电容是否能进行正常充放电,再就测量一下开关功率管是否击穿损坏,以及UC3842本身,及周围元件是否击穿,烧坏等。需要说明的一点是:因是在路测量,有可能会使测量结果有误,造成误判。因此必要时可把元器件焊下来再进行测量。如果仍然没有上述情况则测量一下输入电源线及输出电源线是否内部短路。一般情况下,熔断器熔断故障,整流二极管,电源滤波电容,开关功率管,UC3842是易损件,损坏的概率可达95%以上,一般着重检查一下这些元器件,就可很容易排除此类故障。
    二. 无直流电压输出或电压输出不稳定
    如果保险丝是完好的,在有负载的情况下,各级直流电压无输出。这种情况主要是以下原因造成的:电源中出现开路,短路现象,过压,过流保护电路出现故障,振荡电路没有工作,电源负载过重,高频整流滤波电路中整流二极管被击穿,滤波电容漏电等。
    维修方法:首先,用万用表测量一下高频变压器次级的各个元器件是否有损坏。在排除了高频整流二极管击穿、负载短路的情况后,然后在测量各输出端的直流电压,如果这时输出仍为零,则可以肯定是电源的控制电路出了故障。控制电路的两部分是集成开关电源控制器和过压保护电路。最后用万用表静态测量高频滤波电路中整流二极管及低压滤波电容是否损坏。如果确实相关的元件损坏,在更换好新的完好的元件后,开机测试,一般故障即可排除。需要说明的是:电源输出线断线或开焊,虚焊也会造成这种故障。在维修时应注意这一点。
    三. 电源负载能力差
    电源负载能力差是一个常见的故障,一般都是出现在老式或是工作时间长的电源中,主要原因是各元器件老化,开关管的工作不稳定,没有及时进行散热等。此外还有稳压二极管发热漏电,整流二极管损坏等。
    维修方法:用万用表着重检查一下稳压二极管,高压滤波电容,限流电阻有无变质等再仔细检查一下电路板上的所有焊点是否开焊,虚接等。把开焊的焊点重新焊牢,更换变质的元器件,一般故障即可排除。
    四. 无直流电压输出,但保险丝完好
    这种现象说明开关电源未工作,或者工作后进入了保护状态。
    维修方法:首先应判断一下开关电源的主控芯片UC3842是否处在工作状态或已经损坏。判断方法是这样的:加电测UC3842的第7脚对地电压,若测第8脚有+5V电压,1,2,4,6脚也有不同的电压,则说明电路已起振,UC3842基本正常;若7脚电压低,其余管脚无电压或不波动,则UC3842已损坏。UC3842芯片损坏最常见的是6,7脚对地击穿,5,7脚对地击穿和1,7脚对地击穿。如果这几只脚都为击穿,而开关电源还是不能正常启动,则UC3842必坏,应直接更换。若判断芯片未坏,则就着重检查开关功率管的栅极(G极)的限流电阻是否开焊,虚接,变值,变质以及开关功率管本身是否性能不良。除此之外,电源输出线也有可能断线或接触不良也会造成这种故障。因此在维修时也应注意检查一下。
    五.有直流电压输出,但输出电压过高
    这种故障往往来自于稳压取样和稳压控制电路出现故障所致。在开关电源中,直流输出、取样电阻、误差取样放大器(如LM324,LM358等)、光耦合器(PC817)、电源控制芯片(UC3842)等电路共同构成了一个闭合的控制环路,任何一处出问题都会导致输出电压升高。
    维修方法:由于开关电源中有过压保护电路,输出电压过高首先会使过压保护电路动作。因此对于这种故障的维修,我们可以通过断开过压保护电路,使过压保护电路不起作用,在这时,测量开机瞬间的电源主电压。如果测量值比正常值高出IV以上,说明输出电压过高。我们应着重检查取样电阻是否变值或损坏,精密稳压放大器(TL431)或光耦合器(PC817)性能不良,变质或损坏;其中精密稳压放大器(TL431)极易损坏,我们可用下述方法对精密稳压放大器(TL431)作出好坏的判别:将TL431的参考端(Ref)与它的阴极(Cathode)相连,串10k的电阻,接入5V电压,若阳极(Anode)与阴极之间为2.5V,并且等待片刻还仍然为2.5V,则为好管,否则为坏管。
    六.有直流电压输出,但输出直流电压过低
    对于这种故障现象,根据维修经验可知,除稳压控制电路会引起输出电压过低外,还有一些原因会引起输出电压过低,主要有以下几点:
    1.开关电源负载有短路故障。此时,应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;若仍不正常,说明开关电源电路有故障。
    2.输出电压端整流二极管、滤波电容失效等,可以通过代换法进行判断。
    3.开关功率管的性能下降,必然导致开关管不能正常导通,使电源的内阻增加,带负载能力下降。
    4.开关功率管的源极(S极),通常接一个阻值很小,但功率很大的电阻,作为过流保护检测电阻,此电阻的阻值一般在0.2到0.8之间。此电阻如变值或开焊,接触不良也会造成输出电压过低的故障。
    5.高频变压器不良,不但造成输出电压下降,还会造成开关功率管激励不足从而屡损开关管。
    6. 高压直流滤波电容不良,造成电源带负载能力差,一接负载输出电压便下降。
    7.电源输出线接触不良,有一定的接触电阻,造成输出电压过低。
    8.电网电压是否过低。虽然开关电源在低压下仍然可以输出额定的电压值,但当电网电压低于开关电源的最低电压限定值时,也会使输出电压过低。
    维修方法:对于这种故障我们可以根据以上故障原因,来逐一进行排查。但在实际维修时,可根据实际情况来进行排查,不一定要逐一排查。首先用万用表检查一下高压直流滤波电容是否变质,容量是否下降,能否正常充放电。如无以上现象,则测量一下开关功率管的栅极(G极)的限流电阻以及源极(S极)的过流保护检测电阻是否变值,变质或开焊,接触不良。经判别后,若无问题,我们就检查一下高频变压器的铁芯是否完好无损。因在日常生活使用中,不可避免的重摔或重幢,使高频变压器的铁芯损坏。使高频变压器的磁通量,磁感应强度,以及磁路等都会受到很大的影响,造成传输的效率,能量将会大打折扣。由于高频变压器为了减小涡流,增大高频交流电的传输效率,它的铁芯是用软磁铁氧体制作而成的。这种磁性材料具有高的导磁率,但质脆,易碎。因此它的损坏率也是很高的。因此在维修时千万不要忘了检查此处,以免走弯路。除此之外还有可能就是输出滤波电容容量降低,甚至失容或开焊,虚接;电源输出限流电阻变值或虚接,电源输出线虚接等。在实际维修时,这些因素都不要放过,都应检查一下,以保证万无一失。
    七. 散热风扇不转
    这种故障原因主要是由于控制风扇的三极管(8550或8050)损坏,或者风扇本身损坏或风叶被杂物卡住。但有些开关电源中采用的是智能散热,对于采用这种方式散热的开关电源,热敏电阻损坏的概率是很大的。
    维修方法:首先用万用表测量一下控制风扇的三极管是否损坏,若测得此管未损坏那就有可能是风扇本身损坏。可以把风扇从电路板上拔下来,另外接上一个12V的直流电(注意正负极),看是否转动,并看有无异物卡住。若摆动几下风扇的电线,风扇就转动,则说明电线内部有断线或接头接触不良。若仍不转动,则风扇必坏。对于采用智能散热的开关电源来说,除按上述检查外,还应检查一下热敏电阻是否不良或损坏,开焊等。但要注意此热敏电阻为负温度系数的热敏电阻,更换时应注意。
    检修实例
    实例一. YG-WY-H型电动三轮车智能充电器有电压输出,但充不进去电
    根据此故障现象,初步判断电源输入整流电路部分可能有故障,也有可能是输出电源插头与充电插座接触不良所致。用十字旋具将充电器的四颗紧固螺钉拆下,打开上盖。首先发现输入整流电路中的电源滤波电容以炸裂,漏液。然后用万用表的“RX1”欧档测量了一下输出电源插头和充电插座,发现阻值很小,几乎为0欧,这说明它们接触良好。为了万无一失,又用万用表测量了其它易损坏的元件及充电保险,经测量均未损坏。最后换上一个与原来相同电压和容量的电解电容(330uf/450V),焊好,插上电源插头和充电插头。经数小时的充电,充电器上的“充满”指示灯亮了,表明蓄电池已充满。故障排除。
    实例二. FTC-2001型充电器无电压输出,但保险丝完好
    根据此故障现象可知,此故障属于本文中的第四类故障。经拆开后,先仔细的检查了一下有无开焊,闻一闻有无烧焦等明显故障现状。然后用万用表的“RX1”K挡测量了一下UC3842的限流电阻,此电阻为1W/150K欧的碳膜色环电阻。经测量其阻值与标称值相接近,此电阻未坏。然后插上电源插头,对UC3842进行加电检测,将万用表拨至“直流电压50V”挡,测得7脚的对地电压为15V左右,第8脚对地有+5V的电压,1,2,4,6脚对地也有不同的电压,这说明UC3842在正常工作,未损坏。下一步就应着重检查开关功率管本身及其栅极的限流电阻了。为了不影响测量的准确性,将开关功率管及栅极限流电阻用烙铁拆下。稍等片刻,带元件冷却到室温后,便用万用表“RX1”欧挡,对栅极限流电阻进行测量。此电阻为一个0.25W/0.15欧的碳膜色环电阻。经测量其阻值与标称值相接近,此电阻未坏。再将万用表的电阻挡拨至“RX1”K挡,对开关功率管进行测量。此开关功率管的型号为“10N60”(10A600V)的一个IGBT型功率管。在测量前要对IGBT管的三个引脚短路放电,以避免影响测量的准确度。然后用万用表的红,黑表笔正,反测量一下G极与D极,G及与S极,均有几十千欧的电阻。(正常时,G极与D极,G及与S极,之间的电阻均为无穷大),这说明此开关功率管的性能已经不好了。于是换了一个新的10N60型的开关功率管。将拆下元件及其新的10N60焊好,通电试验,电源指示灯亮了,这时用万用表的“直流电压50V”挡,测量了一下输出电压,为44V。电路恢复正常工作,故障排除。
    实例三. 青鸟牌电动车充电器无直流电压输出,且保险丝熔断
    此故障现象属于本文中的第一类故障。此故障是最为常见的故障之一。打开上盖,顿时就闻到了一股烧焦的味道,看到了烧糊并炸开的UC3842,烧的发黑的保险丝,以及两个限流电阻。(一个是UC3842的限流电阻,另一个是开关功率管的栅极限流电阻)。根据维修经验可知,开关功率管肯定在劫难逃,必坏。先将损坏明显的元件焊下,再将万用表的电阻挡拨至“RX1”K挡,对开关功率管进行测量。判断是否真的损坏了。经测量,开关功率管的三个电极全部击穿;然后将其焊下。然后接着,用万用表一下四个整流二极管及电源滤波电容,经测量四个整流二极管及电源滤波电容均未损坏。然后把损坏的元件处理干净后,根据上面元件所标的型号,电阻的阻值等,换上了新的元器件,焊好,通电试验。不料,保险丝又爆了。马上拔下电源插头,用螺丝刀将电源滤波电容的两电极短接,已快速放掉所存电荷。然后用万用表分别对四个整流二极管,电源滤波电容,UC3842,限流电阻,开关功率管等一一进行检查测量。经测量,所换元件,全部都烧坏了。把损坏的元件全部焊下;将万用表的电阻挡拨至“RX1”K挡,对其余易损元件进行一一检查测量,排查。经测量发现一个阻值为0.15欧,功率为0.25W的碳膜色环电阻烧坏,及阻值为无穷大。换上一个新的0.25W/0.15欧的碳膜色环电阻和前面所换元器件,焊好,通电试验。不料,保险丝又爆了。如此反复烧保险,故障点肯定还是没有真正找到,没有被根除。那么故障点到底在哪呢?经过进一步深入的分析可知:最初的故障现象是很严重的,有好几个电子元器件都被烧糊甚至炸裂,这一方面说明电路确实存在短路和过流的故障。但从另一方面则说明,电子元器件被烧糊甚至炸裂的瞬间会产生大量的热,致使PCB板上的某些细小的覆铜板会因瞬间高温而被融化,因其十分细小,且被烧处已发黑,不容易被发现,因此即使元器件都是完好无损的,但因某些细小的,使电路无法连接完整,使某些电路残缺不全,无法完成某项特定的功能,从而导致保险丝履烧。根据以上分析,仔细的对烧焦处进行清理,检查有无覆铜板被烧化后留下的痕迹。发现在连接光电耦合器(PC817)的第3脚与UC3842第2只脚(中间有一个1K欧的碳膜色环电阻)之间的覆铜板烧化了。于是用一段电线将其焊接,连接好,同时也把其它损坏的元器件全部换上新的,焊好。为确保这次万无一失,便用万用表又从新检查了一遍。无误后,通电试验,保险丝安然无恙,电源指示灯亮了,用万用表测量了一下输出电压为55V。电路终于恢复了正常工作,故障终于被彻底排除。
    结束语
    总的来说,开关电源的常见故障基本上就是这七种类型。但在实际维修中,保险丝熔断,整流二极管损坏,滤波电容击穿,漏液或开路,开关功率管击穿,主控芯片烧坏以及限流电阻烧坏等,这些元器件是最容易损坏的。大部分故障都是由于这些元器件损坏而造成的。除此之外,由于长期不正确的使用和维护开关电源,工作环境较恶劣,致使有些元器件松动,造成接触不良或开焊,电源的插头以及接线柱等生锈,松动,使其虚接或有一定的接触电阻。这些在实际维修中也是经常会遇到的,因此有些开关电源的故障并不是由于元器件损坏造成的,而是由于不正确使用,不去维护,工作环境较恶劣等造成的自然故障。所以有些故障无论你用什么检查方法去检查,用很长的时间去检查,即使查的满头大汗也查不出来。其实用小刀刮一刮上面的锈迹,故障就排除了。其实维修开关电源并不难,只要有足够的电子基础知识,多看看相关技术文章,资料,多动动手,细心,平时多注意经验的积累,维修开关电源是不难的。最后再多说一句:无论是维修什么类型的故障,在认为维修好了之后都要先进行仔细的检查,必要时应复查。由其是电路板上的某些覆铜板被烧坏的那种,一定要仔细检查,看是否已经真正的复原了。不然就前功尽弃了。在确定没有其它地方损坏和短路的情况下,再进行通电试验。最后希望本文能够对我们的实际生产和日常生活有所帮助。

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 ^ 开关电源常见故障的分析及维修

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