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1 引言 采用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電源形式的主電路叫做開關(guān)變換器電路，變換時采用自動控制的閉環(huán)電路穩(wěn)定輸出并具有保護(hù)環(huán)節(jié)的則稱之為開關(guān)電源(SwitchingPower Supply)。開關(guān)電源的主要組成部分是DC-DC變換器，它是轉(zhuǎn)換的核心，并涉及頻率變換。由于開關(guān)電源在較寬的輸入電源電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出并具有較高的轉(zhuǎn)換效率，因此在工業(yè)設(shè)備，特別是數(shù)控機(jī)床上常以獨(dú)立的電源模塊出現(xiàn)，為數(shù)控系統(tǒng)提供直流電源。然而，數(shù)控機(jī)床的開關(guān)電源一般都沒有電路圖及相關(guān)原理說明，損壞后購置備用板及委外維修不僅費(fèi)用高，而且周期長，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。本文以ARROW750立式加工中心開關(guān)電源為例，通過電路測繪，故障分析，對其開關(guān)電源進(jìn)行了深入研究。 2 整流部分 開關(guān)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(jìn)行濾波、整流。輸入電壓有220 V和110 V兩種規(guī)格。通過開關(guān)K1選擇轉(zhuǎn)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(chǎn)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(guān)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(dǎo)通和截止。當(dāng)TRl導(dǎo)通、TR2截止時，電容C15(兩端電壓約150 V)經(jīng)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(jīng)整流輸出供給負(fù)載。當(dāng)TR1截止、TR2導(dǎo)通時，電容C16經(jīng)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(jīng)整流同樣輸出供給負(fù)載。電源在TR1導(dǎo)通時為C16補(bǔ)充能量，而在TR2導(dǎo)通時為C15補(bǔ)充能量，這樣可以保證任何一只三極管導(dǎo)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(jīng)T1施加到TR1、TR2的b-e結(jié)上，控制其導(dǎo)通、截止以及導(dǎo)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(jīng)整流、濾波后輸出穩(wěn)定的直流電壓供給負(fù)載。本系統(tǒng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括基準(zhǔn)電壓調(diào)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(zhǔn)調(diào)整器，產(chǎn)生+5 V的基準(zhǔn)電壓供內(nèi)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(shí)際上是差分放大器。+5 V輸出經(jīng)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(zhǔn)電壓經(jīng)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(bǔ)償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應(yīng)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(shí)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(fā)脈沖，由3引腳測量其脈寬實(shí)際為0.75μs，如圖3(b)所示。此脈沖有兩個作用：一是控制死區(qū)時間，觸發(fā)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(dǎo)通：二是作為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)脈沖，控制兩輸出通道的開關(guān)。當(dāng)觸發(fā)器觸發(fā)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(kuò)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(jìn)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(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖一起經(jīng)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(diào)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(jīng)。TR3、TR4放大后并經(jīng)T1耦合至TRl、TR2的b-e結(jié)。控制TRl、TR2的通斷，如圖3(e)所示。 當(dāng)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(dǎo)致T3輸出電壓跌落；反之，則使T3輸出電壓上升。由于構(gòu)成了閉環(huán)控制，所以該電路具有自動穩(wěn)壓作用。 5 自啟動及監(jiān)測保護(hù)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(dāng)于開路)，隨著300 V直流電壓的建立，流經(jīng)R91、R89、C10、D2、T1③②和R92、R90、C11、D5、T1④①的電流在TR1、TR2的b-e結(jié)上形成0.6 V左右的電壓，TR1、TR2處于截止一放大的臨界區(qū)。若TR1先導(dǎo)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(fù)反饋導(dǎo)致b-e結(jié)承受反壓而迅速截止。隨著TR1的飽和，△u②⑥↓，此時緊接著又出現(xiàn)以下過程： 若TR2先導(dǎo)通，則與TR1先導(dǎo)通的過程類似。TRl、TR2交替導(dǎo)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(jīng)D42、D43全波整流，再經(jīng)D9在C35上建立控制電路的電源電壓。當(dāng)控制電源電壓建立時，CA3524E則會在12、13引腳輸出脈寬調(diào)節(jié)控制信號，經(jīng)TR3、TR4放大后接管對T1及開關(guān)管的控制。至此，自啟動結(jié)束并轉(zhuǎn)入PWM自動控制。 5.2 監(jiān)測保護(hù)電路 (1) 大功率開關(guān)管的保護(hù) THT熱敏電阻粘貼在TRl、TR2共用的散熱片上。當(dāng)超負(fù)荷及散熱不良等原因?qū)е律崞瑴囟壬翜囟壬舷迺r，熱敏電阻阻值劇增，使SCR1可控硅因控制極電平升高而觸發(fā)導(dǎo)通，并將T1⑦⑧兩端都箝位于低電位(相當(dāng)于T1⑦⑧線圈被短路)，使主電路停振，實(shí)現(xiàn)對TR1、TR2的過熱保護(hù)。 若TRl、TR2短路，5 A的FS1保險也可以起熔斷保護(hù)作用。 (2) 過流保護(hù) 無論T3原邊或次邊是否發(fā)生過電流，其過流情況均可分別由T2、T5和T6互感器感應(yīng)出來。其感應(yīng)電流經(jīng)整流后分別加到運(yùn)算放大器IC3的2引腳、IC2的6引腳進(jìn)行比較放大。這樣產(chǎn)生的結(jié)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(dǎo)通，SCR1觸發(fā)導(dǎo)通，短路T1⑦⑧原邊線圈，使主電路停振。這樣就可起到過流保護(hù)作用。 (3) 過壓保護(hù) 若因負(fù)載開路等故障引起輸出電壓突然增大時，該信號經(jīng)R70、R71分壓，使IC3的5引腳電平大于D35穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值(2.43 V)，則7引腳輸出為高電平(3.7 V)，觸發(fā)導(dǎo)通SCR1，使主電路停振，起到過壓保護(hù)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(jīng)D31整流與R61、R60分壓后，與RV4的設(shè)定值進(jìn)行比較。IC2的1引腳輸出為高電平，導(dǎo)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(shí)例 故障現(xiàn)象：接通110 V電源時，F(xiàn)S1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(fā)現(xiàn)TRl、TR2均被擊穿。更換1 A的保險管及代用的BUT11A三極管進(jìn)行空載試驗(yàn)，T3發(fā)出"咝咝"聲。用萬用表測量，發(fā)現(xiàn)輸出直流電壓約為額定值的一半，據(jù)此判斷TR1、TR2中存在單管導(dǎo)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(tài))，"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(dá)到+7.9 V和+18.7 V，且不可調(diào)，±12 V因穩(wěn)壓管而輸出正常，T3的輸出頻率為55 kHz。仔細(xì)檢查控制電路，發(fā)現(xiàn)TR3(型號BC337)已短路，更換后并接通T1的⑧引腳，電路輸出恢復(fù)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(jié)束語 開關(guān)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(jìn)行了深入探討并由此找出開關(guān)管單管導(dǎo)通的故障點(diǎn)，修復(fù)了電源。本文可以作為廣大數(shù)控機(jī)床用戶分析維修類似開關(guān)電源的參考。 |
