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开关电源的重要元器件认识

首先,简化图中显示的开关电源电路。

可以看到,PC1、 PC2、 PC3、 Q构成开关电源电路的主干和骨架。PC1是振荡、稳压和保护的专用振荡芯片控制中心。PC2是一个光耦合器,跨接在一次和二次绕组之间,将负载供电电压的采样信号传递给PC1,又起到对输人、输出供电绝缘隔离的作用。PC稳压电路可根据输出侧和输入侧切割成两部分。PC三是电压基准源电路,PC2的工作状态完全取决于PC3.工作状态。两者结合,承担输出电压的稳压控制。V1是开关管,电路的所有控制都落实到对面V控制导通和截止时间。通过一次和二次电路的功率传输V1.由于其在高电压、大电流状态下工作,成为开关电源电路的易损部件。

下面详细说明开关电源电路四个元件的工作参数和测量方法。

1.开关管

采用双极装置晶体管和场效应晶体管,如图3-4所示,场效应晶体管

为多。

型号为K1317和K225场效应晶体管应用最多,两者可互换。

设备交换首先考虑的是耐压和工作电流值,特别是耐压值,应不低于1200V为宜。另

另外,要注意封装形式,C金属散热与金属散热壳相连的,应在安装前安装绝缘片和导热硅脂。

如图3-4所示,大功率晶体管a所示,G、 S极间并接有

几十欧姆的电阻。测量发射结的正反向电阻连接电阻的电阻值。但集电结的正反电阻特性与一般晶体管相同。在故障维护中,测量晶体管的放大倍数尤为重要。

如图3-仆所示,大功率场效应晶体管,G、 S双向击穿二极管间接进行D、 S极间反向并联有二极管(数据显示,二极管是在工艺过程中自然生成的),两者都保护了场效应晶体管。测量D、 S极间呈正反向电阻特性。应使用场效应晶体管的测量G、 S观察结电容的电荷存储特性D、 S检测极间电阻变化的方法。

在故障维护中,仅通过测量管道的电阻来判断其性能是不够的。一般来说,无法检测管道的低效和老化现象。必须根据故障现象进行综合分析,而不是放手"隐蔽"故障环节和性能, "揪"故障元件。

1.光耦合器

由于光耦合电路简单,在开关电源电路、数字隔离和模拟信号传输通道中广泛应用于输入和输出信号,电压差异大。更换损坏的光耦合器件时,应充分考虑其在电路中的位置和作用,并用相同类型的光耦合器件更换。

在变频器电路中,通常使用三种类型的光耦合器(不仅在开关电源电路中,而且在此解释),一种是晶体管光耦合器,如PC816、PC817、 4N35等,常用于开关电源电路的输出电压采样和电压误差放大电路,也用于变频器控制端子的数字信号输人电路。如图3-5所示,三种光耦合器的结构为发光二极管,输出侧为光敏晶体管。第二种是集成电路光耦合器,如6N137、 HCPL2601等,其频率响应速度大大提高于晶体管式光耦合器。输人侧发光管采用延迟效应低的新型发光材料,输出侧由门电路和肖基特晶体管组成,大大提高了工作性能。也用于变频器故障检测电路和开关电源电路。第三种是线性光耦合器,如A7840。便于线性传输模拟信号,A7840经常配合后续运行电路,实现输入信号的线性放大和传输。

(1)第一类光耦合器

输入端工作压降约1.2V,最大输人电流50mA人;输出最大电流1A因此,小型继电器可以直接驱动,输出饱和压降小于0.4V。可用于几十kHz或传输低频信号。

测量方法:

1)测量输入侧正向压降为1.2V,反向无限大。输出侧正、反压降或电阻值接近无限大。

2)使用指针万用表X 10K1. 2脚,正反电阻差异明显,正反电阻约几十、11,反电阻无限大;3. 四脚正反向电阻无限大。

3)两表笔测量法。指针万用表X 101;电阻档(可提供155V或9V、几十uA电流输出),正向连接1, 2脚(黑表笔1脚),用另一个表X"电阻档测量3 当表笔接入1时,4脚的电阻值。 2脚时,3、 4脚之间呈现20K左右电阻值,脱离1 、 2脚表笔,3、4脚间电阻无限大。

4)可使用直流电源串联电阻将输入电流限制在10mA内部。输人电路接通时,3、4脚电阻为通路状态,输人电路开通时,3、 4脚电阻值无限大。

3、 四种测量方法比较准确,如与同型号的光耦装置相比,甚至可以检测到故障装置(如输出侧电阻过大)。

上述测量是新设备安装前的必要过程。如果在线测量不方便,必要时也可以从电路中拆下设备,进一步判断设备的质量。

在实际维护中,脱机测量电阻不是很方便,上电测试更方便准确。根据输出侧产生的相应变化(或无变化卜测量判断设备的质量,应采取措施改变输入侧电路。即打破故障"平衡状态",使之出现"暂态失衡",因此,暴露了故障原因。光耦合器件的输入输出侧在电路中串有限流电阻。在上电检测中,可以通过降低并联电阻和增加电阻来判断光耦合器件的质量。在一些电路中,甚至可以直接短接或开路输入侧和输出侧来检测和观察电路的动态变化,有利于判断故障区域和维护工作的发展

如图3-6a当正转端子FWD与公共端子COM短接时,PC817的1、 2脚电压为1.2V, 4脚电压由5V变为0V。同样,当控制端子处于开路状态时,PC817的1、 脚之间的电压为0V,而3、 四脚之间的电压为5V。从图3-6&可以通过测量输入输出脚电压来判断光耦装置的脚电压值。

如图3-6b测量所示电路1。 2之间为0.7V 3. 4脚之间为3V,表明光耦合器有输人信号,但光耦合器本身正常吗?用金属镊子短接PC817的1 、 2 用原来的3脚测量4脚的电压V上升为5V(或有明显上升),说明光耦器件是好的。若电压不变,说明光耦损坏。

〔2)光耦合器(6N137)

输人端工作压降约1.5V左右,输出最大电流仅为mA等级,只起到较高频率的作用

传输速率信号,电路本身没有电流驱动能力,可用于MHz有效传输等级信号。

3种在线测量方法,可用短接或开路2、 3.同时测量输出6。 5脚电压变化; 测量输出脚电压是否有相应的变化,从 5V输人脚引入供电或其他电源串限流电阻,检测输出脚电压是否相应变化,判断设备是否正常。

(3)第三类光耦合器

输入侧不是发光二极管,输入输出阻抗高,用于传输小信号。检测方法相同。

注:用于开关电源电路的光耦合器,作为电压误差放大器的一个环节, 输入输出脚的电压扰动会导致负载供电的突变。 5V的CPU主板负载电路,主板负载电路不能在线检测光耦合器的引脚电压。如果不小心测试,会烧掉CPU危险!停电后应检测引脚电阻值。

用于其他电路的光耦合器,如控制端子的光耦合器,可在线带电测量,比电阻测量更方便。

3,专用电流模式PWM振荡芯片UC3844(3842)

UC3844与UC3842广泛应用于变频器的开关电源,其电路图如图3-7 所示。无论电路是塑料密封还是贴片元件,都有两种双列包装类型:8脚和14脚。两种电路的主要区别是UC3842输出频率等于振荡器的振荡频率,最大输出频率占100%;UC3844内部集成了一个二分频触发器,输出频率只有振荡频率的一半,输出最大占空比为50%。。此外,内部欠电压定电路的开启阈值也有所不同。UC3844、 UC3845可互换, UC3842、 UC3843可互换。一般电路的实际振荡频率为100Hz以下,为40~60KHz左右。基准电源、高频振荡器、电压误差放大器、电流检测比较器集成在电路内,PWM锁定器及输出电路。电压闭环(稳压)控制采用误差放大器和外围电压采样电路

电流检测比较器和外围电流检测电路可构成电流闭环控制。

&nbsp引脚功能说明(以下均以8脚封装为例):1脚为误差放大器输出端,与引脚2之间接入R、C反馈网络,以决定误差放大器的带宽频率特性和放大倍数;2脚为误差放大器反馈输人端,该端接输人电压反馈信号,以实现电压闭环〈稳压)控制;3脚为电流检测比较器输人端,该端接电流〔电压)检测信号,以实现过电流(过电压)保护;4脚为振荡器定时元件接人端,所接R、C元件决定了电路振荡频率的高低;8脚为基准电源输出端,可提供+5V温度稳定性良好的基准电压,实际应用中,R、C振荡电路及稳压电路,常取用该电源,以增加振荡和稳压的稳定性;7、 5脚是供电Vcc、GND端子,额定供电电压为30V,实际电路中自供电绕组提供的直流电压约为20V左右;6脚为?波形输出脚,最大输出电流(拉、灌电流)达1A。

 

    UC3842/44的3脚内部误差放大器的同相端已在内部供入2.5V,意味着:当2脚反馈输入电压也稳定于2.5VV也必然会保持在2.5V时,电路的动态反馈及输出的稳定过程已经完成,在此稳定状态下,输出电压的高低,取决于外围电压采样、反馈电压处理电路,而与芯片本身和振荡环节无关;2脚反馈电压的输人范围为-0.55 ~5V乂,当2脚反馈电压维持一个低于2.5V的值时,负载电压将维持一个超压输出状态。当2脚反馈电压维持一个高于2.5〃V值时,输出电压将维持一个低于正常值的状态。由此可判断反馈电压处理电路相关元件的故障。

PC3842/44欠电压锁定开启阈值为16V,UC3843/3845则为8.5V; UC3842/44欠电压锁定关断阈值为10V, UC3843/3845则为7.6V。其意义是:当芯片供电电压高于时,8 脚输出+5V电压,提供给4脚R、 C振荡定时元件,电路起振工作,当供电低于10V时,欠电压保护电路起控,8脚输出电压为0,电路停振,避免了开关管因欠激励(功耗过大)而烧毁。应用此一特点,当电路出现停振故障,而又査不出故障点时,可单独为振荡芯片提供10~20V的可调直流电源(将其他供电全部停掉),在调压过程中,检测8脚的电压变化(应有0~5V的跳变输出卜6脚也相继有0V和1.2V的输出,从而大致确定振荡芯片及外围部分电路的好坏。

要使UC3844内部的保护电路动作,通常有两种方法:使引脚1 〔内部误差电压放大器输出端)上的电压降至1V以下;使引脚3 (电流检测比较器输人端)电压升至1V以上。前者为输出过电压保护,后者为输出过电流保护,两种方法都会导致电流检测比较器输出高电平,PWM锁存器复位,输出端关闭。其意义在于:当电路出现停振故障时,可能为保护电路故陣或其他电路故障引发保护电路动作,而使芯片的1、 3脚电压值分别降至了 1V以下和升至了 1V以上!

UC3844芯片各引脚电阻值见表3-2。

 

 

 

 

 

以上所测贴片元件38448各引脚电阻值,与双列塑封直插元件的引脚电阻稍有差异。14.基准电压源(可调式精密并联稳压器)TL431

TL431是一种具有电流输出能力的可调基准电压源,输出电压范围2.5 ~36V。在开关电源电路中,常与光耦合器配合构成隔离式电压反馈(误差电压放大器)电路。其主要优点,是动态阻抗低,典型值为0.2欧,若构成稳压电路,能显著提高稳压精度。工作电流Ika为1 ~100mA,范围较宽。器件一般为3引脚和8引脚两种封装形式,为三端控制器件。内部基准电压Vref为2.5V,接入电路达到稳态输出后,外部基准端子Vref电压也为2.5V,因而此端子也称为外部基准端子。

短接Vref和K端子,接成图3-8中的左边的测试电路,即成为2.5V稳压电路。稳压控制原理如下:当负载电流减小引起输出电压上升时,内部运算放大器的同相端电压上升,晶体管VT导通增强,对负载电路进行并联式分流,直到Vref端子电压等于2.5V为止。若在Vref端子和K、A极间接入分压电阻如图3-8中右边的测试电路,可以调整输出电压为2.5 ~36V以内的任意值。在稳压电路中,TL431与外围电路接成闭环电压控制电路,从Vref端子输人的为输出电路反馈信号,电路的动态调整,即是将此反馈信号调整到2.5V左右,电路达到平衡状态。

 

 

 

 

 

但在开关电源电路中,对了TL431并不是作为一个稳压电路来使用的,如图3-3所示。

分析一下稳压控制过程:当十5V输出电压上升时,R8、 R9分压点电压上升,流过TL431阳极、阴极间的电流上升。TL431的I"电流的上升,使光耦合器PC2输入侧二极管发光强度随之上升,PC2输出侧光敏晶体管因受光面的光通量上升,其导通等效内阻减小, PC1的2脚(反馈电压引入脚)的电压升高,IC201内部误差放大器的输出增大,此信号控制内部? V V波发生器,IC201的6脚输出的脉冲占空比变化,使开关管丁V的截止时间变长,TL1的储能减少,二次绕组输出电压回落。

常规由TL431构成的稳压电路中,K极输出电压再经分压电阻反馈到Vref端,电路工作于闭环状态,形成并联分流式稳压控制。而开关电源电路中,1PC31自身恰恰是工作于开环状态的,利用Vref端子输人小信号电压的变化,控制Iak较大电流的输出。

当Vref端电压<2.5V时,PC2、 PC03中无电流,Uk约为5V;当Vref端电压>2.5V 时,PC2、 PC03中产生电流,Uk约为2V左右。而且随着+5V输出电压的上升,Ik有明显的上升,因回路电流在R6、 R7上产生压降的缘故,Uk反而有一定的下降。此种变化对控制光耦合器中的发光二极管的发光强度有较好的作用,对二次绕组输出电压的稳压性有较好的保障。如同用一个高阻抗的电压源,获得了一个低阻抗的电流源,从而提高了控制的灵敏度。

 

 

 

 

TL431的上电检测(见图3-3〕:脱开开关电源的输人电源和+5V供电负载电路,单独在c4两端加上5、左右的电源。

1)测量第1脚(或第8脚)电压应为2.5V,测量Uk电压,应为2V左右。

2)测量R7两端电压降,正常时应为3V左右。过低,TL431漏电或短路损坏。等于5V 时,TL431已经开路损坏。

3)用同阻值电阻并联V时,测量R7两端电压有显著上升;用同阻值电阻并联R9时, V两端电压有显著下降。说明TL431性能良好。

 

标签: a7840集成电路

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