深入详解开关电源基本原理

开关电源就是利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等)，通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。

开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换;后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换;后两种工作方式多用于开关稳压电源。

根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源(后面简称变压器开关电源)还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种;根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种;如果从用途上来分，还可以分成更多种类。

开关电源就是利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等)，通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。

开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换;后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换;后两种工作方式多用于开关稳压电源。

根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源(后面简称变压器开关电源)还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种;根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种;如果从用途上来分，还可以分成更多种类。

开关电源又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。

开关电源，顾名思义，其工作原理类似于一扇可控制的门。在这扇“门”的背后，实际上是由可控硅或开关管等元器件来执行开启和关闭的操作。这些元器件通过基极或控制极上的脉冲信号来控制其导通与截止。当脉冲信号的正半周到来时，控制极上的电压会升高，从而使得开关管或可控硅导通。此时，220V的电压经过整流和滤波后，会输出一个300V的电压，并通过开关变压器传递到次级。通过变压比的作用，这个电压会被升高或降低，以供应给各个电路使用。

一、开关电源的工作原理详解

开关电源，一种高效、稳定的电源解决方案，其核心在于利用功率半导体器件作为开关元件。这种电源通过周期性地通断开关，精确控制开关元件的占空比，从而实现对输出电压的调整。在工作过程中，开关元件会按照设定的时间间隔重复接通与断开。接通时，输入电源Vi会通过开关S和滤波电路为负载RL提供必要的能量。而当开关S断开，电路中的储能装置，包括电感L1、电容C2以及二极管D，会协同工作，向负载RL释放开关接通时所储存的能量，确保负载能够持续且稳定地获得所需能量。

开关电源原理图

VO=TON/T*Vi，其中VO表示负载两端的电压平均值，TON代表开关每次接通的时间，T则是开关通断的工作周期。从公式中可以看出，通过调整开关接通时间和工作周期的比例，可以改变VO的电压平均值。这种自动调整机制使得输出电压VO能够稳定不变，即使负载及输入电源电压发生变化。而改变接通时间TON和工作周期的比例，实质上就是在调整脉冲的占空比，这种技术被称为“时间比率控制”(TimeRationControl，简称TRC)。根据TRC控制原理，可以实现三种不同的控制方式。

1、脉冲宽度调制(PWM)

在脉冲宽度调制(PWM)中，开关周期保持恒定，而占空比则通过调整脉冲宽度来改变。这种方式下，输出电压的稳定性得以保障，同时也能实现高效的能量转换。

2、脉冲频率调制(PFM)

与PWM不同，脉冲频率调制(PFM)保持导通脉冲宽度恒定，通过改变开关的工作频率来调整占空比。这种方式在某些应用中可能更为合适，能够有效地响应负载及输入电源电压的变化。

3、混合调制

混合调制方式则更为灵活，导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，两者都可以根据需要进行调整。这种方式结合了PWM和PFM的优点，适用于更复杂的电源管理需求。

接下来，我们将探讨开关电源的维修技巧和常见故障。

1、维修技巧

开关电源的维修流程可概括为“看、闻、问、量”四步。首先，在断电情况下，我们需要仔细观察电源的内部状况，检查保险丝是否熔断，并留意PCB板上是否有烧焦或元件破裂的痕迹。其次，通过嗅觉判断电源内部是否有烧焦的气味，以发现可能存在的烧焦元器件。此外，向用户询问电源损坏的详细经过，了解是否有违规操作，也是非常重要的环节。

在量测方面，我们需要在未通电前使用万用表测量高压电容两端的电压。对于开关电源不起振或开关管开路引发的故障，通常高压滤波电容两端的电压会保持较高水平，需谨慎操作。同时，我们还需要测量AC电源线两端的正反向电阻及电容器充电情况，以确保电阻值在合理范围内，电容器能够正常充放电。

在加电检测阶段，我们需要仔细观察电源是否有烧保险或元件冒烟等异常现象。若出现此类情况，应立即切断供电并进行详细检修。此外，我们还需要测量高压滤波电容两端是否有300伏输出，以及高频变压器次级线圈是否有输出。根据测量结果，我们可以进一步确定故障原因并采取相应的维修措施。

若电源启动后立即停止工作，这通常表明电源处于保护状态。此时，我们可以直接测量PWM芯片保护输入脚的电压来判断具体原因。若电压超出规定范围，则应重点检查导致保护动作的原因并采取相应措施进行处理。

2、常见故障

保险丝熔断通常意味着电源内部线路存在问题。在电源高负荷、大电流的工作环境下，电网电压的波动或浪涌都可能导致瞬间电流激增，从而引发保险丝熔断。此时，应重点检查电源输入端的整流二极管、高压滤波电解电容以及逆变功率开关管等关键元器件，查看是否存在击穿、开路或损坏的情况。若发现保险丝熔断，务必在更换元件前对电路板上的所有元件进行仔细检查，确保无烧糊或电解液溢出等异常现象。之后，使用万用表测量开关管是否短路，以确保彻底排除故障。

此外，若保险丝完好但电源无直流电压输出或输出不稳定，则可能是电源内部出现开路、短路、过压、过流保护电路故障、辅助电源问题、振荡电路失效、负载过重或高频整流滤波电路中整流二极管被击穿、滤波电容漏电等原因所致。

在用万用表对次级元件进行测量并排除高频整流二极管击穿和负载短路的可能性后，若输出仍为零，则可断定是电源的控制电路出现了故障。而若有部分电压输出，则说明前级电路工作正常，故障集中在高频整流滤波电路中。该电路主要由整流二极管和低压滤波电容组成，负责直流电压的输出。整流二极管的击穿会导致电路无电压输出，而滤波电容的漏电则会造成输出电压的不稳定。通过万用表的静态测量，我们可以找出损坏的元件。

例如，某一24伏直流电机供电电源在通电后无法输出直流24伏电压。拆开电源外壳后，发现保险丝未烧断且电路板无明显烧焦或破裂元件。在未通电状态下测量AC输入端和DC输出端的阻值，以及开关管、整流桥和整流管等重要元件，均显示正常。由此判断，内部严重短路的可能性较小，可能是保护电路动作所致。

经进一步检查，该开关电源采用U3842 PWM控制芯片。查阅相关资料得知，当U3842芯片的3端电压高于1伏时，其内部电流敏感比较器会输出高电平，从而将PWM锁存器复位并关闭输出。通电后测量U3842的3端电压高于1伏，但6端无输出。经仔细检查相关电路，发现稳压管D2已击穿(如图3所示)。这使得PC1导通，导致U3842的3端保持高电平状态，6端无输出，开关管无法工作，最终造成直流侧无直流输出。更换同型号的稳压管D2后，故障得以排除。

此外，电源负载能力差也是一个常见的故障问题。这主要出现在老式或长时间工作的电源中。随着元器件的老化以及开关管的不稳定工作，若未能及时散热，就可能导致负载能力下降。在检查过程中，应特别关注稳压二极管是否发热漏电、整流二极管是否损坏以及高压滤波电容是否完好等关键环节。

例如，我厂使用的近红外激光光谱仪(VECTOR 22)在开机后无法完成自检并发出报警，同时主板指示灯持续闪烁。经过检查，发现供光谱仪主板的直流5V电源电压仅为2.3伏左右。在断开5V直流电源的负载并重新通电测量时，电压恢复至5V，这初步判断为5V直流电源的带载能力不足。为了进一步检修，拆开了电源外壳。由于不带负载时通电能提供5V直流输出，因此将检修重点放在了次级线圈侧的输出整流电路。在给5伏电源接上假负载并通电测量时，发现三端稳压7805的1、2脚间电压为5.2伏，而2、3脚间电压却降至2.3伏(如图4所示)。据此，我们判断三端稳压管7805性能已变差。更换新的三端稳压管7805后，故障得以排除。

二、开关电源的维修流程

在处理开关电源问题时，我们遵循一系列的步骤以确保高效且准确地修复电源。首先，我们详细检查了光谱仪主板的直流5V电源电压，发现其仅维持在2.3伏左右，明显低于正常水平。接下来，我们断开了5V直流电源的负载，并重新通电进行测量，结果显示电压已恢复至5V，这进一步印证了我们的初步判断——5V直流电源的带载能力存在问题。

为了深入探究问题根源，我们拆开了电源的外壳。在检查过程中，我们发现，在不带负载的情况下，电源能够提供正常的5V直流输出。因此，我们将检修的重点转向了次级线圈侧的输出整流电路。在给5伏电源接上假负载并重新通电测量时，我们发现三端稳压7805的1、2脚间电压为5.2伏，而2、3脚间电压却异常地降至2.3伏。根据这一发现，我们判断三端稳压管7805的性能已经出现恶化。

最后，我们更换了新的三端稳压管7805，并再次进行测试，成功排除了故障，确保了电源的正常工作。

1、在维修开关电源时，首要任务是利用万用表检测各功率器件，如电源整流桥堆、开关管、高频大功率整流管以及抑制浪涌电流的大功率电阻等，以确保它们没有击穿短路。同时，还需检测各输出电压端口的电阻，以便及时发现并更换损坏的器件。

2、完成上述检测后，若电源仍无法正常工作，接下来应重点检查功率因数模块(PFC)和脉宽调制组件(PWM)。需要熟悉这两个模块的功能及其正常工作的条件，并利用相关工具进行详细测量。

3、对于具备PFC电路的电源，需特别关注滤波电容两端的电压。若电压维持在380VDC左右，说明PFC模块工作正常。随后，应检测PWM组件的工作状态，包括测量其电源输入端VC、参考电压输出端VR以及启动控制Vstart/Vcontrol端的电压。同时，利用示波器观察PWM模块CT端对地的波形，确保其为线性良好的锯齿波或三角形。

4、在维修实践中，经常会遇到采用UC38××系列8脚PWM组件的开关电源。这类电源常见的问题是电源启动电阻损坏或芯片性能下降。维修时，需根据具体情况更换电阻或调整启动电流，以恢复PWM组件的正常工作。

5、若滤波电容上无380VDC左右电压，则说明PFC电路未正常工作。此时，应重点检测PFC模块的关键脚，包括电源输入脚VC、启动脚Vstart/control、CT和RT脚以及V0脚。通过仔细测量和调整这些关键脚的电压和波形，可以恢复PFC电路的正常工作。

综上所述，只要我们充分熟悉开关电源的基本结构以及各模块的特性及其工作条件，并按照上述步骤和方法进行维修操作，就能迅速地排除开关电源的故障，提高维修效率。