判断开关稳压电源变换器工作情况的一种方法

高 嵩，陈志强

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引言

开关稳压电源与线性稳压电源相比，具有更多优点，比如小型轻量、效率高、容易对应较宽的输入电压范围等。这些优点适应于电子设备的轻、薄、短、小与节能的要求，通过改变变压器抽头与电路元器件常数，还可实现设备在输入电压不同的国家的使用。因此，开关稳压电源的应用范围迅速扩大，市场前景看好[1]。

开关稳压电源的变换器部分是将直流功率变换为高频功率的重要电路。若变换器电路发生异常，开关稳压电路的所有部分都会受到影响。通过观测开关晶体管的电压与电流波形能发现变换器部分出现的故障。正向激励变换器是此类器件中具有代表性的一款，以此为例，对此种故障检测法进行研究。

2 正激式变换器工作原理

一般在输入输出之间加有隔离器件的都称为隔离型电路，而正激式变换器就是隔离型变换电路的一种[2]。通常情况充当隔离器件的是变压器，而变压器的主要作用就是用来将输入与输出信号进行电气隔离。正激型变压器开关电源，是指当直流电作用在变压器的初级线圈上时，会在变压器的次级线圈输出相应的能量。正激式变换器的等效电路图如图1所示。通过改变变压器线圈匝数比，可将输入电压转换成两种不同的电压值。图中T是变压器，V是开关管，电容C2和C3是用来储能滤波的，L是储能滤波电感，VD3二极管用来进行续流[3]。

图1 正激式变换器等效电路[4]

当开关管V导通时，功率变压器的初级绕组中就会产生一个电流，能量被存储在初级绕组线圈中。因为变压器的初级线圈与次级线圈具有相同的极性，所以这个存储的能量就会通过磁感应的方式传给次级绕组。VD2的正极电压大于负极电压，因此该二极管会导通，能量就通过此二极管传递到电感L中。由于电感具有存储能量的能力，所以电感L中有能量存在[5]。由于VD3二极管的正端电压小于负极电压，所以VD3处于反向截止状态。当开关管V处于截止状态时，变压器线圈中的电流会逐渐减小，而变压器的线圈绕组会阻碍电流的变小趋势，因此感应电动势会在变压器T的次级绕组和初级绕组中产生，其方向与原来的电动势方向相反，因此二极管VD2处于反向截止状态，而此时续流二极管VD3便会正向导通，电流会通过VD3和负载流回电感L中，这样负载电路工作所需的能量就会从电感L中获取。有了这些能量，在V关断时负载电路的电压和电流就会维持不变。

开关电源在工作的时候还涉及到一个很重要的去磁问题。目前工程中常用的去磁方法主要有：增加绕组法、有源钳位法、ZVT法等。通常MOSFET被广泛应用于开关电源变换器中充当占空比调节器件，因此可以利用谐振去磁的方法，将变压器剩余的磁化能量进行释放，再利用无功电阻将其消耗掉。

3 变换器常见故障及观测方法

3.1 变换器常见故障及解决办法

开关电源变换器经常会发生带载情况下没有直流电压输出或电压输出不稳定的故障。这种故障主要是以下原因造成的：电源输入断开或输出端短路，过压、过流保护电路损坏，振荡电路不能正常工作，负载超过了电源的带载能力，等等。

对此，排除故障过程如下：首先，用万用表测量一下与变压器次级线圈相连的各个元器件能否正常工作，电源与负载连接线是否断开、虚焊。如果高频整流二极管没有击穿损坏、负载没有短路断路的情况，那么很有可能就是电源的控制电路损坏了(控制电路主要包括产生PWM的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。在工作时间较长的电源中，各元器件的老化，焊点开焊或者散热不好等因素，都会导致电源带载能力下降。

3.2 变换器故障观测方法

可以通过观测开关晶体管的电压与电流的波形来快速定位发生故障的位置。晶体管集电极-发射极间波形如图2所示。电路中，吸收电路由电容C以及与其并联的开关晶体管的发射极-集电极所构成。在开关晶体管截止的瞬间，电容C中有电流流通，降低了晶体管的发射极-集电极间电压的上升速度。当电容C的值过小时，晶体管截止时的电压上升速度会加快，开关损耗增大；当电容C的值过大时，电容C中的能量不能有效返回电源中，所以因开关晶体管导通，吸收电路的损耗也增大了。电容C的作用非常重要，在电路效率为适当值的情况下，段为C选用适当取值。

图2 不同C值下的VCE波形

在图2(a)所示波形图中，TF期间变压器中能量转移到电容C中，TB期间电容中能量通过变压器的1次绕组返回到输入电源。若该能量转移结束，则电容C上电压等于电源电压VI。开关晶体管导通时，电容C中蓄积的能量为CVI2/2，该能量变为开关晶体管电阻部分的无效功率被消耗掉了。因此，若开关频率为f，则有CVI2f/2的功率被消耗了。电容量的选择很重要，电容量C小，吸收电路的功率损耗就少；但电容量C过小时，如图2(b)所示，开关晶体管截止时电压上升速度变快，开关损耗也随之增加，而且发射极-集电极之间电压也增高了；反之，电容量C过大，如图2(c)所示，电容中的能量不能完全返回电源端，开关晶体管处于导通状态，因此，吸收电路消耗的功率增加。

对于图2示出的波形，输出电压低，变压器的1次与2次之间漏感中蓄积的能量少，少到几乎可以忽略。若输出电压高，变压器漏感中蓄积的能量也增多，该能量转移到电容C中，这时漏感的影响不可忽略，其对波形的影响如图3所示。图2和图3都发生在开关晶体管导通之前，电容C的值是使VCE降到输入电压VI的最佳值[6]。

图3 受到漏感影响的集电极电压波形

另外，变压器的漏感较大时，开关晶体管截止时电压尖峰会增多，电压上升速度也会变快，从而增大损耗。在开关晶体管截止、漏感产生尖峰信号之后，将发生如图4所示的振荡。在很多情况下，引线电感等会使变压器T的输入部分电压产生振荡，为此，这部分的引线应当越短越好[7]。如图5所示，集电极电压波形的一部分被钳位时，辅助电源绕组NA的极性变反，该绕组进行回扫工作。在同样波形情况下，有必要检查一下，加载与开关晶体管并联的稳压二极管等过压保护元件上的电压是否有问题。

图4 输入电源振荡时集电极电压波形

图5 辅助电源绕组极性变反时的VCE波形

另外，可以根据集电极波形来判断2次侧扼流圈L的电感是否适当。图6(a)示出的是正常情况的波形。若该电感量偏小，则如图6(b)所示，集电极电流波形上升非常快。图6(c)示出变压器或2次侧扼流圈磁芯饱和时的波形。扼流圈磁芯饱和时，若输出电流稍有下降，则电流上升也随之变慢，但变压器饱和时，负载电流多少有些变化，急剧上升部分不变，总电平只是上下变化[8]。

图6 电感对集电极电流波形的影响

因此，通过观测三极管集电极电压的波形，就能知道此时变换器的工作状态，再配合常见故障特征，进而能够对故障进行快速准确的定位。

4 结束语

介绍了变换器的几种常见故障及其解决办法，通过观测开关晶体管的电压与电流波形，可及时发现变换器存在的问题，并快速进行故障定位。本研究中的说明仅限正向激励变换电路，而其他类型电路可以借用此种方式了解变换器的工作情况。在现实工作中，借此能够快速发现开关稳压电源变换部分发生的故障并及时排查，对于任何工程来说都是具有实际意义的。