DC24V仪用开关电源的原理和维修

DC24V仪用开关电源的原理和维修

任何电子控制设备，都需要电源供应。有些设备具有自备电源，有些设备，如温度、压力传感器等，则需另外配用适宜的电源——DC24V电源。随着各类传感器在工业控制领域的大量应用，相应的电源产品的供给也形成了一定的规模，高效率、模块化的仪用DC24V电源产品逐渐独立出来，成为了“专用电源设备”；一些生产线自动控制设备，对供电电源有一定的要求，需要交流稳压供电，各类交流稳压电源设备，能提供较为稳压的电源供给；一些设备，如工业电脑，为满足数据记忆，应急事件处理等要求，除要求稳压供电外，还需要在电网停电时，能实现不间歇供电，UPS一类电源设备产品也应运而生。
其实，从广义上讲，变频调速控制器、直流电动机调速器、电焊机、电镀机等设备，均可列入电源设备，但上述设备已有专著介绍，本文仅就自动化控制中常用到的，但其电路资料相匮乏甚至为空白的DC24V仪用电源做出电路原理分析和故障检修指导。

仪用DC24V开关电源
   仪用DC24V开关电源，是一个独立的电源产品，经常作为压力、温度传感器、旋转编码器等检测仪器的专用稳定直流电源。有众多厂商生产和经销该类产品，整机电路组装于一个易于安装和电磁屏蔽良好的金属壳体中，输入/输出端子便于进行线路的连接，故障率低，耐受较为恶劣的工业生环境。
CL-A-35-24仪用DC24V开关电源，是额定功率为35W，输出额定（可调整）电压为DC24V的开关电源产品，稳压精度较高，对过载、短路故障有较好的保护功能。
开关电源电路，为直—交—直型的逆变电路，是一种电压和功率的变换器，将直流电压和功率转换为脉冲电压，再整流成为另一种直流电压。输入、输出电压由开关变压器相隔离，开关变压器起到功率传递、电压/电流变换的作用。本机电路中的开关变压器为降压变压器。整机电路由市电整流滤波电路、PWM脉冲生成电路、逆变功率开关电路和开关变压器二次整流电路、稳压控制和过载保护电路组成。具体电路构成见下图1。
1、电路构成和工作原理分析
电路以UC3842振荡芯片为核心，构成逆变、整流电路。UC3842一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，相关引脚功能及内部电路原理已有介绍，此处从略。AC220V电源经共模滤波器L1引入，能较好抑制从电网进入的和从电源本身向辐射的高频干扰，交流电压经桥式整流电路、电容C4滤波成为约280V的不稳定直流电压，作为由振荡芯片U1、开关管Q1、开关变压器T1及其它元件组成的逆变电路。逆变电路，可以分为四个电路部分讲解其电路工作原理。
图1 CL-A-35-24仪用DC24V开关电源
   1）振荡回路：开关变压器的主绕组N1、Q1的漏--源极、R2（工作电流检测电阻）为电源工作电流的通路；本机启动电路与其它开关电源（启动电路由降压限流电阻组成）有所不同，启动电路由C5、D3、D4组成，提供一个“瞬态”的启动电流，二极管D2吸收反向电压，D3具有整流作用，保障加到U1的7脚的启动电流为正电流；电路起振后，由N2自供电绕组、D2、C5整流滤波电路，提供U1芯片的供电电压。这三个环节的正常运行，是电源能够振荡起来的先决条件。
当然，U1的4脚外接定时元件R48、C8和U1芯片本身，也构成了振荡回路的一部分。
电容式启动电路，当过载或短路故障发生时，电路能处于稳定的停振保护状态，不像电阻启动电路，会再现“打嗝”式间歇振荡现象。工作电流检测从电阻R2上取得，当故障状态引起工作过流异常增大时，U1的6脚输出PWM脉冲占空比减小，N1自供电绕组的感应电路也随之降低，当U1的7脚供电电压低于10V时，电路停振，负载电压为0，这是过流（过载或短路）引发U1内部欠电压保护电路动作导致的输出中止；工作电流异常增大时，R2上的电压降大于1V时，内部锁存器动作，电路停振，这是由过流引发U1内部过流保护动作导致输出中止。
2、稳压回路：开关变压器的N3绕组、D6、C13、C14等元件组成的24V电源，基准电压源TL1、光耦合器U2等元件构成了稳压控制回路。U1芯片和1、2脚外围元件R7、C12，也是稳压回路的一部分。实际上，TL1、U1组成了（相对于U1内部电压误差放大器）外部误差放大器，将输出24V的电压变化反馈回U1的反馈电压信号输入端。当24V输出电压上升时，U1的2脚电压上升，1脚电压下降，输出PWM脉冲占空比下降，输出电路回落。当输出电压异常上升时，U1的1脚下降为1V时，内部保护电路动作，电路停振。
   3、保护回路：U1芯片本身和3脚外围电路构成过流保护回路；N1绕组上并联的D1、R1、C9元件构成了开关管的反向电压吸收保护电路，以提供Q1截止时的反向电流通路，保障Q1的工作安全；实质上稳压回路的电压反馈信号，也可看作是一路电压保护信号——当反馈电压幅度达一定值时，电路实施停振保护动作；24V的输出端并联有由R18、ZD2、单向晶闸管SCR组成的过压保护电路，当稳压电路失常，引起输出电压异常上升时，稳压二极管ZD2的击穿为SCR提供触发电流，SCR的导通形成一个“短路电流”信号，强制U1内部保护电路产生过流保护动作，电路处于停振状态。
   4、负载回路：N3次级绕组及后续整流滤波电路，即是电源输出电路，也可视为负载回路，如D6或C13、C14任一元件击穿或漏电故障发生，即形成同负载电路过载、短路一样的结果，引发电路处于停振状态。负载回路的异常，会牵涉到保护回路和稳压回路，使两个回路做出相应的保护和调整动作。但保护电路的内容并不仅是局限于保护电路本身，保护电路的起控往往是由于负载电路的异常所引起。
   振荡芯片本身参与和构成了前三个回路，芯片损坏，三个回路都会一齐罢工。对三个或四个回路的检修，是在芯片本身正常的前提下进行的。另外，要像下象棋一样，用全局观念和系统思路来进行故障判断，透过现象看本质。如停振故障，也许并非由振荡回路元件损坏所引起，有可能是稳压回路故障或负载回路异常，导致了芯片内部保护电路起控，而停止了PWM脉冲的输出。并不能将各个回路完全孤立起来进行检修，某一故障元件的出现很可能表现出“牵一发而全身动”的效果。
   2、仪用DC24V开关电源的故障检修
开关电源电路常表现为以下两种典型故障现象（参照图1）：
此处的检修是指不连接负载的情况下，对仪用DC24V开关电源进行上电空载下的独立检修的。对确保人身安全，建议采用AC220V/220V隔离电源来检修，以便于带电测量。
1）测24V输出端子电压为0V。
细听有上电瞬间设备有“吱”声，测输出有电路跳变，随即输出电压变为0V。说明市电整流滤波电路、U1芯片的启动、振荡电路基本上正常的，电路具备起振工作条件，但因保护电路起控，引发电路停振，重点应检测负载回路、稳压回路和保护回路。如停电检测输出电路回路的D6、C13、C14、SCR等元件有无损坏；稳压回路的TL1、UR1等有无不良；自供电电源R9、D2、C5等元件有无不良；过电压吸收电路的R1、D1、C9等元件有无不良等。
上电瞬间设备无起振声间，测输出端一直为0V。测滤波电容C4两端有无280V直流电压，若无，应检测FU、RT及整流电路的好坏；若正常，应顺序检查开关管Q1的漏、源极电流回路和C5、D3启动回路，R9、D2、C5元件构成的自供电回路；U1外围振荡电路及U1元件本身是否不良。
2）、24V输出电压偏高或偏低。
输出电压采样电路中设有半可变电位器UR1，标注为“ADJ”，用于微调输出电压的高低。若输出电压偏离正常值不多，可通过调整UR1，使输出电压恢复正常值；输出电压严重偏高时，引发SCR受触发导通，电路停振，须检查稳压回路的故障。稍微偏高则可通过UR1来调整。此处故障检查的重点落在输出电压偏低上，应检查稳压回路和Q1工作电流回路的故障。
当基准电压源漏电或击穿时，导致电压反馈信号上升，输出PWM脉冲占空比减小，输出电压低落；电流采样电阻R2因引脚氧化或阻值变大时，也会产生输出电压过低的故障；当Q1开关管低效，即使稳压回路正常，也会导致开关变压器T1的储能减小，输出电压过低。这种故障一般较为少见。
〔故障实例1〕CL-A-35-24仪用DC24V开关电源，测输出为0V。检查开关管Q1及输出电路、稳压电路元件均损坏，上电细听无电路起振声音。测U1各脚电压为0V，怀疑启动电路不良。试在电容C5上并联0.22uF电容，上电试机，输出正常。摘下原电容，用电容表测其容量，仅为几千皮法。故障原因为C5失效后，不能提供振荡芯片U1（＞1mA）的启动电流，使电路不能起振工作。
〔故障实例2〕CL-A-35-24仪用DC24V开关电源，运行中 突然损坏。拆开设备外壳，发现电容熔断器FU发黑烧断，电源开关管已经炸裂，电流采样电阻R2已经断路，Q1的栅极电阻R10也已经烧毁。根据经验，U1振荡芯片可能也受冲击同时损坏。检查其它元件没有损坏，更换上述损坏元件，上电试机，输出24V正常。
〔故障实例3〕CL-A-35-24仪用DC24V开关电源，无输出电压。上电细听有“吱”的一声，说明电路能起振工作，相关振荡电路及电源电路均正常。判断故障在稳压回路或输出回路。测输出回路的D6、C13、C14、SCR等元件均无异常，检测基准电压源器件TL1的1、2脚电阻值极小，拆下与好的器件对测量，证实TL1已经击穿损坏。TL1击穿损坏后，使光耦合器U2导通程度变深，U1的2脚输入反馈信号上升，1脚电压值低于1V，引发U1内容保护电路动作，电路停振。因启动电路中C5此时已充满电荷，故不会产生重新启动动作。但重新上电时，C5的充电电流又会产生U1的启动电流，使电路起振后再度停振。
更换TL1，故障修复。


旷野之雪
2011年6月15日