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1 引言 采用半導體功率器件作為開(kāi)關(guān)，將一種電源形式轉變?yōu)榱硪环N電源形式的主電路叫做開(kāi)關(guān)變換器電路，變換時(shí)采用自動(dòng)控制的閉環(huán)電路穩定輸出并具有保護環(huán)節的則稱(chēng)之為開(kāi)關(guān)電源(SwitchingPower Supply)。開(kāi)關(guān)電源的主要組成部分是DC-DC變換器，它是轉換的核心，并涉及頻率變換。由于開(kāi)關(guān)電源在較寬的輸入電源電壓范圍內穩定輸出并具有較高的轉換效率，因此在工業(yè)設備，特別是數控機床上常以獨立的電源模塊出現，為數控系統提供直流電源。然而，數控機床的開(kāi)關(guān)電源一般都沒(méi)有電路圖及相關(guān)原理說(shuō)明，損壞后購置備用板及委外維修不僅費用高，而且周期長(cháng)，嚴重影響生產(chǎn)。本文以ARROW750立式加工中心開(kāi)關(guān)電源為例，通過(guò)電路測繪，故障分析，對其開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行了深入研究。 2 整流部分 開(kāi)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兩種規格。通過(guò)開(kāi)關(guān)K1選擇轉換。220 V時(shí)為單相橋式整流，110 V時(shí)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(kāi)關(guān)元件三極管TR1、TR2(型號為C4056)在控制脈沖變壓器T1的控制下交替導通和截止。當TRl導通、TR2截止時(shí)，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(xiàn)圈放電，在T3次邊線(xiàn)圈上得到的同相脈沖電流經(jīng)整流輸出供給負載。當TR1截止、TR2導通時(shí)，電容C16經(jīng)T3原邊線(xiàn)圈和TR2的c-e極放電，在T3次邊線(xiàn)圈上得到的反相脈沖電流經(jīng)整流同樣輸出供給負載。電源在TR1導通時(shí)為C16補充能量，而在TR2導通時(shí)為C15補充能量，這樣可以保證任何一只三極管導通時(shí)施加在T3原邊線(xiàn)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結上，控制其導通、截止以及導通的時(shí)間，繼而控制流入T3原邊線(xiàn)圈的39 kHz固定頻率交流脈沖的脈沖寬度。T3次邊線(xiàn)圈的耦合電流經(jīng)整流、濾波后輸出穩定的直流電壓供給負載。本系統的電源直流輸出為+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，其內部結構如圖2所示，主要包括基準電壓調整器、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(mén)；另一路施加到5 V基準調整器，產(chǎn)生+5 V的基準電壓供內部電路工作，并通過(guò)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(guò)9引腳測得，如圖3(a)所示。9引腳接電阻電容用于補償系統的幅頻、相頻響應特性。 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(gè)作用：一是控制死區時(shí)間，觸發(fā)脈沖直接送到兩輸出級的或非門(mén)作為封閉脈沖，以保證兩組三極管輸出不可能同時(shí)導通：二是作為雙穩態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)脈沖，控制兩輸出通道的開(kāi)關(guān)。當觸發(fā)器觸發(fā)脈沖的寬度小于0.5μs時(shí)，可在3引腳與地間接一只100 pF～1000 pF的電容，擴展輸出脈沖的寬度。 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(gè)高電平、低電平或脈沖信號。 比較器輸出信號與振蕩器、雙穩態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖一起經(jīng)或非門(mén)輸出控制三極管A和B，使其集電極(12、13引腳)問(wèn)輸出一個(gè)相位差為180°、脈寬可調的交流脈沖信號，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�？刂芓Rl、TR2的通斷，如圖3(e)所示。 當輸出電壓升高時(shí)，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(xiàn)，12、13引腳間的脈沖信號沿箭頭方向移動(dòng)，使圖3(e)中的脈寬變窄，導致T3輸出電壓跌落；反之，則使T3輸出電壓上升。由于構成了閉環(huán)控制，所以該電路具有自動(dòng)穩壓作用。 5 自啟動(dòng)及監測保護電路 5.1 自啟動(dòng) 在控制電路電壓建立之前的通電初期(即T1⑦⑧原邊線(xiàn)圈中沒(méi)有電流，相當于開(kāi)路)，隨著(zhù)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結上形成0.6 V左右的電壓，TR1、TR2處于截止一放大的臨界區。若TR1先導通放大，參照圖1中T1的同名端，有以下過(guò)程： 這時(shí)，TRl由于正反饋而快速飽和，TR2則由于負反饋導致b-e結承受反壓而迅速截止。隨著(zhù)TR1的飽和，△u②⑥↓，此時(shí)緊接著(zhù)又出現以下過(guò)程： 若TR2先導通，則與TR1先導通的過(guò)程類(lèi)似。TRl、TR2交替導通，流入T1、T3的是交流電流，這個(gè)過(guò)程為自啟動(dòng)過(guò)程。 T3次級一組線(xiàn)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。當控制電源電壓建立時(shí)，CA3524E則會(huì )在12、13引腳輸出脈寬調節控制信號，經(jīng)TR3、TR4放大后接管對T1及開(kāi)關(guān)管的控制。至此，自啟動(dòng)結束并轉入PWM自動(dòng)控制。 5.2 監測保護電路 (1) 大功率開(kāi)關(guān)管的保護 THT熱敏電阻粘貼在TRl、TR2共用的散熱片上。當超負荷及散熱不良等原因導致散熱片溫度升至溫度上限時(shí)，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)導通，并將T1⑦⑧兩端都箝位于低電位(相當于T1⑦⑧線(xiàn)圈被短路)，使主電路停振，實(shí)現對TR1、TR2的過(guò)熱保護。 若TRl、TR2短路，5 A的FS1保險也可以起熔斷保護作用。 (2) 過(guò)流保護 無(wú)論T3原邊或次邊是否發(fā)生過(guò)電流，其過(guò)流情況均可分別由T2、T5和T6互感器感應出來(lái)。其感應電流經(jīng)整流后分別加到運算放大器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(wú)脈沖輸出；二是IC2的7引腳降為低電平，TR6導通，SCR1觸發(fā)導通，短路T1⑦⑧原邊線(xiàn)圈，使主電路停振。這樣就可起到過(guò)流保護作用。 (3) 過(guò)壓保護 若因負載開(kāi)路等故障引起輸出電壓突然增大時(shí)，該信號經(jīng)R70、R71分壓，使IC3的5引腳電平大于D35穩壓管的穩壓值(2.43 V)，則7引腳輸出為高電平(3.7 V)，觸發(fā)導通SCR1，使主電路停振，起到過(guò)壓保護作用。 (4) 其他檢測 端口28、30分別引出連接至其他電路。T3次邊線(xiàn)圈的交流脈沖經(jīng)D31整流與R61、R60分壓后，與RV4的設定值進(jìn)行比較。IC2的1引腳輸出為高電平，導通TR7，使端口30輸出為低電平。取樣電壓通過(guò)端口28輸出。 6 維修實(shí)例 故障現象：接通110 V電源時(shí)，FS1的5 A保險即被燒斷�？梢耘袛酁橹麟娐范搪�。使用萬(wàn)用表檢查，發(fā)現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，T3發(fā)出"咝咝"聲。用萬(wàn)用表測量，發(fā)現輸出直流電壓約為額定值的一半，據此判斷TR1、TR2中存在單管導通的情況。斷開(kāi)T1的⑧引腳(即T1的⑦、⑧線(xiàn)圈開(kāi)路，處于自啟動(dòng)狀態(tài))，"咝咝"聲消失，在輸入110VAC的情況下，測量+5 V和+12 V輸出已分別達到+7.9 V和+18.7 V，且不可調，±12 V因穩壓管而輸出正常，T3的輸出頻率為55 kHz。仔細檢查控制電路，發(fā)現TR3(型號BC337)已短路，更換后并接通T1的⑧引腳，電路輸出恢復正常，T3的輸出頻率由自啟動(dòng)的55 kHz跌落至IC1輸出的39 kHz固定頻率。 7 結束語(yǔ) 開(kāi)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(guò)程，著(zhù)重研究了CA3524E的控制原理，對該電路的自啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了深入探討并由此找出開(kāi)關(guān)管單管導通的故障點(diǎn)，修復了電源。本文可以作為廣大數控機床用戶(hù)分析維修類(lèi)似開(kāi)關(guān)電源的參考。 |
