开关稳压电源的工作原理及其维修a.docx

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开关稳压电源的工作原理及其维修a

开关稳压电源的工作原理及其维修

目前市场上稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等。

现在主要针对稳压电路与负载的连接方式来介绍其工作原理。

串联式开关电源主要用在早期的电视机中，这种开关电源通过开关调整管及整流二极管与电网相连，整个机板与电网相通，使机板带电，不便于与外部其他电气设备相连接，因此在现代电子设备中已很少使用，取而代之的是并联型开关电源。

并联型开关电源输出端与电网通过开关变压器，电路板上除开关变压器初级与电网相连通外，其余部分与电网都不直接相连，机板不带电，安全性好，也容易与外部设备相连接。

因此，并联型开关电源在现代电气设备，尤其在互联网及办公设备中得到了广泛应用。

现代并联型开关电源电路主要有两种形式：

一种是由分立元件构成的单管自激振荡式和由集成电路构成的他激式单管开关电源，另一种是双管半桥式脉冲可调式开关电源。

单管开关电源自身组成振荡电路，直接进行功率变换，电压调简单，但不宜用对双极性输出电压调整，输出功率相对较小，主要用在电视接收机、显示器、传真机、打印机及各种充电器中。

双管半桥式开关电源采用专用脉冲产生电路，两个开关管做模拟开关交替工作，工作稳定，功率变换效率高，输出电压调控易行，容易增设保护电路。

这种电源适用于功耗较大的电气设备。

就电路功能来讲，不管是哪种开关电源，都包括交流输入及抗干扰电路、整流滤波电路、启动电路、开关振荡管、开关变压器、稳压控制电路、脉冲整流输出电路以及过压过流保护电路等。

双管半桥式开关电源的结构

电路组成

双管半桥式开关电源电路主要由交流输入及抗干扰电路、整流滤波电路、开关管、开关变压器、稳压控制电路、PWM脉冲产生电路、功率变换电路、过压过流保护电路等组成。

与单管自激振荡开关电源不同是，双管半桥式开关电源电路采用两个功率开关管，启动方法有自缴式启动和他激式启动两种。

双管半桥式开关电源的结构框图

双管半桥式开关电源工作原理简述

市电经抗干扰、整流后由串联的C1与C2滤波后得到+310V直流电压，在C1与C2上个形成对称的、约+155V的电压。

辅助电源电路得到+310V电压后，开始工作产生辅助电压，并加到PWM脉冲产生电路。

在开机电路控制下，PWM电路产生相位相反的两个脉冲，经驱动电路通过脉冲变压器T3，在L1与L2中分别产生相位相反的两个驱动脉冲，分别驱动开关管1和开关管2轮流工作于开关状态。

开关管1导通时，开关管2截止。

C1上的+155V电压通过开关管1、T4初级绕组、C3回到C1负极构成回路，在T4初级产生由上而下的电流。

开关管2导通时，开关管1截止。

C2上的+155V电压通过开关C3、T4初级绕组、开关管2、经地回到C2负极构成回路，在T4初级产生由下而上的电流。

、

T4为功率变换变压器，是开关电源中体积最大的元件。

T4初级中流过的相反方向的电流由次级个绕组经整流得到不同的输出电压，为负载提供电源。

稳压控制电路从输出电压中取出样品电压，与基准电源相比较，产生误差电压，经稳压控制电路送到PWM脉冲产生电路，调整输出脉冲的宽度和频率；再经驱动电路调整两只开关管的导通时间或频率，使流过T4初级的电流改变，从而调整输出电压。

主电源电路分析与检修

主电源电流分析

电源的主电源电流主要由交流输入，抗干扰及整流滤波电路和双管半桥式开关主回路电路等组成。

1.交流输入、抗干扰及整流滤波电路

主电源的交流输入、抗干扰及整流滤波电路与辅助电源使用同一个交流输入电路。

参考图所示电路，交流电经整流后产生310V直流高压，在C7、C8上分别产生155V对称直流高压输出，R2与R3为均压电阻，保证C7与C8上的电压相等。

这里没有使用单电容滤波是应双管半桥式主开关电源所需。

在早期的PC的电源中，当使用110V交流电源时，设计有一个开关，开关闭合，将L或N与电容C7、C8的中间点直接相连，就组成倍压整流滤波电路，在C7、C8上分别产生155V直流高压输出，经电压叠加，输出310V直流高压。

该转换电路的作用是保证在两种不同输入电源的环境下都能产生相同的对称工作电源输出。

目前电脑的开关电源已不再有这个转换开关，而是直接使用220V交流电。

2.开关主回路（双管半桥式）电路由大容量电解电容与开关管及C9组成桥式连接构成，其回路负载时高频变压器T4的初级绕组，如图所示

电路在通电状态下，电解电容上各有150V直流高压，相当于一对正负对称电源。

当G1导通，G2截止时，C7上的电压从正极经G1的漏极、源极和T4、C9回到C7的负极，组成放电回路，电流由上至下流经T4：

当G1截止、G2导通时，C8上的电压从正极经C9、T4下端、上端和G2的漏极、源极、通过地回到C8的负极，组成放电回路，电流由下至上流经T4.

可见，G1、G2在PWM芯片TL494提供的两路频率约几十千赫、相位差为180°、宽度可变的调制脉冲驱动下轮流工作有饱和与截止状态，为高频变压器T4提供高频交变工作电流，再经次级绕组完成功率变换，输出不同的直流电压。

其中的C10与R8用来消除谐振。

T3为脉冲驱动变压器，7—6绕组与5—4绕组绕向不同。

初级的驱动脉冲被T3的7—6绕组与5—4绕组分解为相位相差180°的两个脉冲，分别驱动G1和G2，使它们轮流导通与截止。

电阻R4与R5、R6与R7用于限流匹配，防止产生谐振。

3.高频功率变换及低压输出电路

（1）高频功率变换电路

下面以银河系列ATX2P4-1电源为例，高频功率变换电路，如图所示。

在双管半桥式开关主回路中，T4为高频功率变换变压器，是功率变换的主要元件，体积最大。

开关管G1与G2轮流导通，在T4初级绕组中流过正反两个方向的电流，根据变压器工作原理在次级1—G与2—G以及3—G和6—G绕组中必然产生方向不同的感应电动势。

1—G与2—G绕组匝数相等，绕向相反；3—G与6—G绕组匝数相等，绕向相反。

因此，在1—G与2—G绕组中产生的感应电动势大小相等，方向相反；同理，在3—G、6—G绕组中产生也产生大小相等，方向相反的感应电动势。

1

—G、2—G绕组和3—G、6—G绕组匝数不同，因此感应电动势不同。

在银河系列ATX2P4-1电源中，1—G、2—G绕组为+12V输出绕组，3—G、6—G绕组为+5V输出绕组。

在有些机型中，还设有+3.3V专用绕组。

（2）低压整流输出电路

在图中，开关主电路中T4的正反不同方向的电流通过高频变压器，在次级各绕组中将得到不同的感应电压，分别经高频全波整流，滤波后得到主机工作需要的±5V和±12V直流电压，电路中，D2及D1为肖特基整流二级管组件，可对正极性脉冲进行整流得到+12V和+5V直流电压，其工作电流较大，损坏后是不可随意用其他二级管代替的。

D3、D4和D5、D6为4个独立的二极管，可对负极性脉冲整流得到－5V和－12V直流电压。

这4组输出电压采用LC滤波电路，用以减小输出直流电压的纹波系数，保证微机系统的稳定运行。

这里用到的滤波电感被绕制在同一个磁芯内，称为功率因素校正变压器，但它并没用变压作用，只是起到滤波校正的作用。

电路中，D2、L1、D（实物板上无编号）及辅助电源中的CO组成倍压整流滤波电路，当主开关电源工作后，在输出端达到+24V直流电压，可由这个+24V电源代替辅助电源中的+B=12V电源。

电路中，C10与R8用于消除T4初级绕组的谐振，防止产生振荡。

R52、C23用于保护二极管，R47、R48和R49为各路输出电压的负载，可避免电源因空载造成输出电压升高。

某些机型中用到的+3.3V电压产生电路如图所示

+3.3V电压产生电路主要有两种形式：

一种是使用+5V绕组，经全波整流后由一只三极管调整输出+3.3V，如新生代电源；另一种是由从+5V输出电压串联一只场效应管G3进行调整后输出+3.3V。

+12V电压通过电阻R13，一方面为G8提供电流源，另一方面通过电阻R45为G3控制极提供电压，使G3导通，使+5V电压源通过G3在电阻R46上产生输出电压。

这个电压又电压通过电阻R44加到G8的控制极极，与其内基准电压相比较，产生误差电压控制器IKA，改变G3的栅极电源，进而调整G3的输出电压。

最终，使G3输出稳定的+3.3V电压。

在有些机型中，设置有专用+3.3V绕组，经整流滤波输出+3.3V电压。

4．PWM脉冲产生电路

在电脑开关电源中，由于功率消耗较大，一般都采用双管半桥式开关电源，因此就要有一对相位相差180°的PWM调制脉冲来驱动，调制脉冲的产生通常有专用集成电路来完成。

在现代电源中最为常见的脉宽调制集成电路有494系列（如TL494、LM494等），此外还有3524系列（如SG3524、CA3524等）。

3524系列多用在UPS电源中。

494系列集成电路作为脉宽调制组件，因结构简单、性价比高等优点，在开关电源中得到了广泛应用。

下面以TL494为例，对其工作原理进行说明。

TL494集成电路结构

TL494采用16脚双列DIP封装，其实物图和内部结构框图如图所示

TL494的内部短路包括基准电压发生器、振荡器、间歇期调调整电路、两个误差放大器、PWM比较器和输出放大电路等。

TL494各引脚的用途及作用如下：

1TL494的第12脚为供电端，其典型电压为+15V，一般采用12V供电。

2第14脚内部位+5V基准电压发生器，只要第12脚加上+12V工作电压，第14脚就能输出+5V基准电压。

基准电压供TL494的内部和外部电路使用。

3第6脚外接定是电阻RT，第5脚外接定是电容CT，它们与内电路构成振动器。

振动器的振荡频率为

f=1.1/RTCT

振动器输出的锯齿波电压送入间歇期调整电路及PWM调整电路。

4第4脚内部为间歇期调整电路，在外加电压（0~3.5V）的控制下，能强行控制振动器的输出脉冲宽度。

第4脚外加电压高于3.5V后，输出脉冲宽度为零，该电压称为死区电压，第4脚又称为死区控制端。

电脑主机的开机及保护功能，就是利用控制第4脚的外加电压来实现的。

5第1脚与第2脚内部为一个误差放大器，通常用作输出电压监视。

开关电源输出电压的稳压控制就是通过该脚实现的。

第15脚与第16脚内部为另一个误差放大器，一般用作输出电流监视。

将两个误差放大器的输出电平（第3脚）与振荡电路输出的锯齿波电平进行比较，当锯齿波电平上升到大于第3脚电平时，振动器产生的锯齿波脉冲才能输出。

6在TL494内部还有一个D触发器，将振动器的锯齿波分解为两个相位相差180°的脉冲，分别驱动两个输出级。

、

7输出级由两个晶体三极管组成，分别输出200mA的电流。

第13脚为工作模式控制端，该脚的外加电压将控制输出级两个三极管的工作状态。

当第13脚接入+5V是，两管为推挽输出方式；当其接地时，两管为并联式输出（两个三极管当作一个来使用）。

作为电脑电源半桥式功率输出电流的驱动电路使用时，第13脚与第14脚（基准+5V输出）相连接，为推挽式输出。

TL494集成电路在个开关电源中，除了第1、2脚和第15、16脚外接的取样电路可能有所不同以外，其他引脚

外接电路的形式基本一致。

TL494集成电路的工作原理

TL494集成电路工作过程如下：

1.辅助电源产生的+B=12V电压加在TL494的第12脚、第8脚和第11脚。

TL494的内部振动器开始工作，产生锯齿波脉冲送到内部间歇期调整电路，与第4脚的电压相比较，当第4脚电压低于3.5V是，因内部两个误差放大器均收出低电压，所以，间歇期调整电路输出的最宽脉冲通过内部触发器分成两个相位相差180°的脉冲（TL494第13脚外接Vref=+5V，内部两个三极管作推挽输出），分别由第9脚和第10脚送到脉冲驱动电路，主开关电路，使功率变换电路工作产生各组输出电压。

2.由第14脚输出的Vref=+5V基准电压，分4个支路输出：

第一路为内部比较运算放大器提供工作电压；第二路经R35、R34分压后为误差采样放大器的反相输入端（第2脚）提供比较参考电压；第三路直接送到内部控制放大器的反相输入端（第15脚）提供控制参考电压。

第四路为由R42等组成的RC延迟启动电路提供充电电流。

3.延迟启动。

刚开机时，因各三极管、集成电路、检测电路等不能立即进入稳定工作状态，若TL494产生不正常的调制脉冲，很可能两个开关管同时导通造成损坏。

在TL494第4脚外接有电阻R42、电容器C等延迟启动单元，刚开机时，由于参考电压Vref对电容器的充电作用，R42上电压较高，这一高电压被送到TL494第4脚，使TL494不能收藏脉冲，起到延迟启动作用；随着充电的进行，R42上电压逐渐降低，TL494第4脚电压也逐渐降低，当低于死区电压时，TL494才根据各检测信号的情况送出相应的脉冲信号启动功率变换电路，使其进入正常工作状态，实现开机延迟启动保护。

PWM脉冲驱动电路

脉冲驱动电路的任务是将TL494产生的两个脉冲进行放大，以推动负载工作。

驱动电路中有两种形式。

一种是由2只三极管构成的推挽式驱动电路，另一种是由4只三极管构成的推挽式驱动电路。

常见的脉冲驱动电路如图所示。

PWM脉冲驱动电路工作过程如下

当TL494第9脚为高电平脉冲时，三极管G4导通，G5截止；与此同时TL494第10脚为低电平，三极管G6截止，G7导通。

+B=12V流过导通的G4、T3初级、G7到地，形成通路。

在T3初级产生自上而下的驱动电流。

当TL494第9脚为低电平脉冲时，三极管G4截止；G5导通；与此同时TL494第10脚为高电平，三极管G6导通，G7截止。

+B=12V经RO流过导通的G6、T3初级、G5到地，形成通路。

在T3初级产生自下而上的驱动电流；这样由于在T3初级产生正反两个方向的电流，在T3的次级7

—6、5—4两个绕组中将产生相位相反的两个感应电动势。

即当T3的7为正6为负时，必然有5为负4为正，或7负6正时为5正4负。

相位相反的两个脉冲分别通过R4和R6加在两个功率开关管的栅极，使两个功率开关管轮流导通或截止。

在脉冲驱动电路中，C11与R9用于防止产生谐振；D14、R10/R11将部分驱动脉冲电流整流之后得到的电压反映了驱动脉冲电流的大小，这一电压加到TL494的第16脚上，驱动脉冲电流大，第16脚上的电压就搞，驱动电流小，第16脚上的电压就低。

当地16脚上的电压过高（大于第15脚基准电压）时，TL494的内部控制比较器输出低电压。

一路送到间歇期调调整器电路，使脉冲宽度为0，也就是停止输出驱动脉冲，从而主开关电源停止工作，起到保护作用；另一路通过地3脚输出低电压，送到PG信号产生电路，停止PG信号的输出，使电脑主机停止工作。

主电源开关机控制电路

银河系列ATX2P4-1电源中，主电源开关机控制电路主要由运算LM339及外围元件组成，也有些机型使用LM324。

运算放大器LM339简介

LM339为14脚塑封双列直插式结构，第3脚为供电端，第12脚为接地端，工作电压范围为3~32V，一般供电为+12V。

LM339的外形及内部结构如图所示

LM339的内部电路由4个完全相同而且互相独立的运算放大器构成。

每个运算放大器都有3个端子：

一个为同相输入端（用+表示），一个为反相输入端（用—表示），一个为输出端。

运算放大器的基本工资原理是：

当同相输入端与反相输入端都有相等时，输出端输出电压约为电源电压的1/2（Vcc/2）；当同相输入端都有高于反相输入端电压时，输出端输出电压高于Vcc/2并接近于电源电压Vcc；当同相输入端电压低于反相输入端电压时，输出端输出电压低于Vcc/2，接近于地（GND）电压，即约为0.

与LM339功能相同的运算放大器还有LM324、TL339等，但它们的引脚排列不同，不能直接互换。

LM339在银河系列ATX2P4—1电源中的具体应用电路如图所示

开关机电路分析

主电源的开关机时受绿色线的电压控制的，这一电压来自电脑主板的开机电路，绿色线称为PS信号线。

银河系列ATX2P4—1电源的开关机电路如图所示

绿色线经得住R32接于Vref为+5V高电平，经电阻R送到比较运算放大器LM339第9脚获得一个高电压。

因LM339第7脚由33kΩ、15kΩ电阻及R31、D11分压后输入约2.2V电压，低于LM339第6脚电压，所以LM339输出端第1脚输出低电压，经隔离电阻R27加到三极管G9的基极，使其截止。

三极管G9集电极输出大于4.5V的高电压，通过D9送到脉冲产生集成电路TL494第4脚，控制TL494的输出脉冲宽度为零，也就是不输出脉冲，主电源不工作，没有±5V和±12V直流电压输出，电脑主机也就不工作。

当主机发出开机信号时，主板将绿色线的电压降低至零，或人为地将绿色线与地线（黑色线）相接时，PS的低电压经电阻R送到LM339第6脚，使LM339输出端第1脚输出高电压，经电阻R27使三极管G9饱和，集电输出低电压（约为OV）。

这一低电压通过D9送到脉冲产生集成电路TL494第9脚和第10脚输出宽度可调脉冲，经驱动电路推动功率开关管工作，经功率变换电路输出±5V和±12V直流电压。

稳压控制电路

±5V和±12V输出电压分别经电阻R38和R39加在电阻R40上，分出月4.3V电压加在TL494第1脚上，作为移动控制电路样品电压，与第2脚参考电压相比较（由电阻R35和R34对基准电压分压产生4.6V电压）。

在TL494内部经电压比较器相比较，产生误差电压，再送到间歇期调整电路，通过控制脉冲宽度实现我的。

取样电路及基准电压电路如图所示

PG信号产生电路

PG信号产生电路在主电源工作后，它有一个从低电压经延时100ms左右跃变升高为约5V的过程。

PG信号产生电路大多采用电路比较运算放大器构成，也有的由分立元件构成或使用专用教材电路。

PG信号产生电路工作过程如下：

见图

主电源开机后，在+5V电源稳定之前，TL494第3脚输出低电平，通过R23加到LM339第9脚（同相输入端），由第14脚输出低电压，通过R24、R22加到LM339第11脚。

因LM339第10脚由电阻R21对基准电压分压得到约1.5V电压，因此，LM339第13脚输出低电平，也就是说输出PG信号为低电平。

此时，电脑主机因PG信号为低电平而不启动。

当+5V电压升高大于4.5V以后，TL494第3脚输出高电平约+3.2V送到LM339第9脚，并从LM339第14脚输出高电平约2.5V，经R24、R22加到LM339第11脚，从LM339第13脚输出约5V高电压，也就是输出了“电源好”的信号。

最终经灰色线将PG信号送到电脑主板复位电路，主板开始工作。

在这个过程中，C14起到了延时作用。

在电源断电时，因老板电容的作用，PG高电压信号下降速度较+5V快。

也就是说，在+5V还没有消失时，PG信号就从高电压降为OV，比+5V消失提前约100ms，使电脑在+5V电压消失之前结束应用程序，停止工作，以防不测。

保护电路

主电源的保护电路有过流保护电路、过压保护电路、欠压保护电路和缺相保护电路等。

延迟开机保护过流检测信号从TL494第15脚输入，自动保护控制信号由D14送入TL494第4脚。

主电源输出的直流电压有±5V，±12V和3.3V5组电压。

如果由于某种原因，这5组电压缺少一组，就称为“缺相”；任一组电压过高称为过压。

见图所示：

为过压及缺相保护电路的综合采样电路，分别为±5V，—12V及3.3V4组电压进行检测。

正常情况下，C点电压（Vc）约为0.8V，LM339第5脚电压约为0.45V。

若任一路顺畅电压发生变化（过压、缺相）都将引起C点及A点电压的改变，经D17送入LM339第5脚（同相输入端）的电压也将发生改变（参考图）。

若因某种原因造成某路顺畅电压升高，例如+5V输出升高到5.4V、+12V输出升高到13.2V、—12V或—5V升高到0V时，在LM339第5脚上的电压也将随之升高到（或超过）1.2V，于是在LM339第2脚输出端将产生5V左右的保护控制电压输出，经D10（实物为4.7k

Ω电阻）送到TL494第4脚的自动保护控制端，通过脉宽调制电路将使驱动功率开关管的脉冲宽度变为零，迫使功率转换电路停止工作，以保护主机及电源本身的安全。

与此同时，LM339第5脚得到的电压经电阻R16与R15分压，经R12送到TL449第16脚（同相输入端）、TL494第15脚（反相输入端）的基准电压相比较产生控制电压，送到间歇期调整电路，同样迫使脉冲宽度变为零功率转换电路停止工作，由此实现过压和缺相保护。

该保护电路在迫使功率转换电路停止工作的同时，由TL494第3脚先行输出低电压，通过PG信号出生电路使LM339第13脚输出低电压PG信号（也就是无PG信号输出），电脑主机停止工作。

常见故障及其判断方法

1、主电源电路故障输出电压无检测交流电源

2、线路板故障（包括抗干扰电路、整流滤波电路、启动电路、开关振荡管、开关变压器、稳压控制电路、脉冲整流输出电路以及过压过流保护电路）检查各元器件是否有脱焊及短路现象。

（注：

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