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1 引言 采用半導體功率器件作為開關，將一種電源形式轉變為另一種電源形式的主電路叫做開關變換器電路，變換時采用自動控制的閉環電路穩定輸出并具有保護環節的則稱之為開關電源(SwitchingPower Supply)。開關電源的主要組成部分是DC-DC變換器，它是轉換的核心，并涉及頻率變換。由于開關電源在較寬的輸入電源電壓范圍內穩定輸出并具有較高的轉換效率，因此在工業設備，特別是數控機床上常以獨立的電源模塊出現，為數控系統提供直流電源。然而，數控機床的開關電源一般都沒有電路圖及相關原理說明，損壞后購置備用板及委外維修不僅費用高，而且周期長，嚴重影響生產。本文以ARROW750立式加工中心開關電源為例，通過電路測繪，故障分析，對其開關電源進行了深入研究。 2 整流部分 開關電源電路原理圖如圖1所示。該電路首先對輸入的單相交流電進行濾波、整流。輸入電壓有220 V和110 V兩種規格。通過開關K1選擇轉換。220 V時為單相橋式整流，110 V時為單相2倍壓整流，這兩種情況下均在電容C8、C9兩端產生約300 V的直流電壓為DC-DC變換器供電。 3 DC-DC變換主電路 DC-DC變換器采用半橋變壓隔離式電路。開關元件三極管TR1、TR2(型號為C4056)在控制脈沖變壓器T1的控制下交替導通和截止。當TRl導通、TR2截止時，電容C15(兩端電壓約150 V)經TR1的c-e極和主脈沖變壓器T3原邊線圈放電，在T3次邊線圈上得到的同相脈沖電流經整流輸出供給負載。當TR1截止、TR2導通時，電容C16經T3原邊線圈和TR2的c-e極放電，在T3次邊線圈上得到的反相脈沖電流經整流同樣輸出供給負載。電源在TR1導通時為C16補充能量，而在TR2導通時為C15補充能量，這樣可以保證任何一只三極管導通時施加在T3原邊線圈上的電壓均是直流電壓的一半。 脈寬控制電路輸出的脈寬信號經T1施加到TR1、TR2的b-e結上，控制其導通、截止以及導通的時間，繼而控制流入T3原邊線圈的39 kHz固定頻率交流脈沖的脈沖寬度。T3次邊線圈的耦合電流經整流、濾波后輸出穩定的直流電壓供給負載。本系統的電源直流輸出為+5 V／12 A、+12 V／4 A、±12V／1.5 A，總功率為150 W。 4 脈寬控制電路 脈寬控制電路的核心元件是CA3524E，其內部結構如圖2所示，主要包括基準電壓調整器、誤差放大器、振蕩器和比較器等。 直流電源VS從15引腳引入分成兩路：一路施加到或非門；另一路施加到5 V基準調整器，產生+5 V的基準電壓供內部電路工作，并通過16腳輸出供外部電路工作。 誤差放大器實際上是差分放大器。+5 V輸出經R73、R37、R38等組成的取樣電路，分壓后接1引腳反相輸入端。CA3524E輸出的+5 V基準電壓經R40、RV1、R41分壓后接2引腳同相輸入端。本電路未使用電流限制器和閉鎖控制。誤差放大器的輸出可通過9引腳測得，如圖3(a)所示。9引腳接電阻電容用于補償系統的幅頻、相頻響應特性。 振蕩器頻率由6引腳的外接電阻RT和7引腳的外接電容CT決定，周期近似值TS=RT·CT。實測CT兩端的波形為頻率78 kHz、幅值0.6 V～3.7 V的鋸齒波，如圖3(a)所示。該鋸齒波與比較器的同相端相連。 另外，振蕩器還輸出一組寬度介于0.5μs和5μs之間、幅值為4 V的觸發脈沖，由3引腳測量其脈寬實際為0.75μs，如圖3(b)所示。此脈沖有兩個作用：一是控制死區時間，觸發脈沖直接送到兩輸出級的或非門作為封閉脈沖，以保證兩組三極管輸出不可能同時導通：二是作為雙穩態觸發器的觸發脈沖，控制兩輸出通道的開關。當觸發器觸發脈沖的寬度小于0.5μs時，可在3引腳與地間接一只100 pF～1000 pF的電容，擴展輸出脈沖的寬度。 接比較器反相端的誤差放大器輸出電壓與CT上的鋸齒波電壓在比較器中進行比較，比較器將輸出一個高電平、低電平或脈沖信號。 比較器輸出信號與振蕩器、雙穩態觸發器的輸出脈沖一起經或非門輸出控制三極管A和B，使其集電極(12、13引腳)問輸出一個相位差為180°、脈寬可調的交流脈沖信號，其幅值為0.2 V～2.2 V，如圖3(c)、(d)所示。兩集電極的脈沖差信號經。TR3、TR4放大后并經T1耦合至TRl、TR2的b-e結。控制TRl、TR2的通斷，如圖3(e)所示。 當輸出電壓升高時，取樣電壓增加，誤差放大器輸出端(即CA3524E的9引腳)電位下降。如圖3(a)u9所指虛線，12、13引腳間的脈沖信號沿箭頭方向移動，使圖3(e)中的脈寬變窄，導致T3輸出電壓跌落；反之，則使T3輸出電壓上升。由于構成了閉環控制，所以該電路具有自動穩壓作用。 5 自啟動及監測保護電路 5.1 自啟動 在控制電路電壓建立之前的通電初期(即T1⑦⑧原邊線圈中沒有電流，相當于開路)，隨著300 V直流電壓的建立，流經R91、R89、C10、D2、T1③②和R92、R90、C11、D5、T1④①的電流在TR1、TR2的b-e結上形成0.6 V左右的電壓，TR1、TR2處于截止一放大的臨界區。若TR1先導通放大，參照圖1中T1的同名端，有以下過程： 這時，TRl由于正反饋而快速飽和，TR2則由于負反饋導致b-e結承受反壓而迅速截止。隨著TR1的飽和，△u②⑥↓，此時緊接著又出現以下過程： 若TR2先導通，則與TR1先導通的過程類似。TRl、TR2交替導通，流入T1、T3的是交流電流，這個過程為自啟動過程。 T3次級一組線圈上的感生電流經D42、D43全波整流，再經D9在C35上建立控制電路的電源電壓。當控制電源電壓建立時，CA3524E則會在12、13引腳輸出脈寬調節控制信號，經TR3、TR4放大后接管對T1及開關管的控制。至此，自啟動結束并轉入PWM自動控制。 5.2 監測保護電路 (1) 大功率開關管的保護 THT熱敏電阻粘貼在TRl、TR2共用的散熱片上。當超負荷及散熱不良等原因導致散熱片溫度升至溫度上限時，熱敏電阻阻值劇增，使SCR1可控硅因控制極電平升高而觸發導通，并將T1⑦⑧兩端都箝位于低電位(相當于T1⑦⑧線圈被短路)，使主電路停振，實現對TR1、TR2的過熱保護。 若TRl、TR2短路，5 A的FS1保險也可以起熔斷保護作用。 (2) 過流保護 無論T3原邊或次邊是否發生過電流，其過流情況均可分別由T2、T5和T6互感器感應出來。其感應電流經整流后分別加到運算放大器IC3的2引腳、IC2的6引腳進行比較放大。這樣產生的結果一是IC3的1引腳降為低電平，箝制IC1的9引腳為低電位，使IC1停振，IC1的12、13引腳無脈沖輸出；二是IC2的7引腳降為低電平，TR6導通，SCR1觸發導通，短路T1⑦⑧原邊線圈，使主電路停振。這樣就可起到過流保護作用。 (3) 過壓保護 若因負載開路等故障引起輸出電壓突然增大時，該信號經R70、R71分壓，使IC3的5引腳電平大于D35穩壓管的穩壓值(2.43 V)，則7引腳輸出為高電平(3.7 V)，觸發導通SCR1，使主電路停振，起到過壓保護作用。 (4) 其他檢測 端口28、30分別引出連接至其他電路。T3次邊線圈的交流脈沖經D31整流與R61、R60分壓后，與RV4的設定值進行比較。IC2的1引腳輸出為高電平，導通TR7，使端口30輸出為低電平。取樣電壓通過端口28輸出。 6 維修實例 故障現象：接通110 V電源時，FS1的5 A保險即被燒斷。可以判斷為主電路短路。使用萬用表檢查，發現TRl、TR2均被擊穿。更換1 A的保險管及代用的BUT11A三極管進行空載試驗，T3發出"咝咝"聲。用萬用表測量，發現輸出直流電壓約為額定值的一半，據此判斷TR1、TR2中存在單管導通的情況。斷開T1的⑧引腳(即T1的⑦、⑧線圈開路，處于自啟動狀態)，"咝咝"聲消失，在輸入110VAC的情況下，測量+5 V和+12 V輸出已分別達到+7.9 V和+18.7 V，且不可調，±12 V因穩壓管而輸出正常，T3的輸出頻率為55 kHz。仔細檢查控制電路，發現TR3(型號BC337)已短路，更換后并接通T1的⑧引腳，電路輸出恢復正常，T3的輸出頻率由自啟動的55 kHz跌落至IC1輸出的39 kHz固定頻率。 7 結束語 開關電源研究的前提是測繪出正確的圖形。本文分析了半橋變壓隔離式DC-DC變換器的工作過程，著重研究了CA3524E的控制原理，對該電路的自啟動過程進行了深入探討并由此找出開關管單管導通的故障點，修復了電源。本文可以作為廣大數控機床用戶分析維修類似開關電源的參考。 |
