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机械毕业设计

目录

摘要------------------------------------------------2

引言------------------------------------------------2

1.常见开关电源--------------------------------------3

1.1单管并联式开关电源--------------------------------------------------------3

1.2双管半桥式开关电源--------------------------------------------------5

2.电脑开关电源辅助电源分析与检修------------------------------6

2.1辅助电源电路组成及工作原理---------------------------------------------6

2.2开关变压器---------------------------------------------------------------------7

2.3辅助电源电路常见故障及检测点------------------------------------------9

2.4辅助电源电路输出电路检修方法-----------------------------------------10

2.5辅助电源电路开关管击穿损坏下的检修方法-------------------------14

3.主电源电路分析与检修---------------------------------------------16

3.1主电源电路分析---------------------------------------------------------16

3.2主电源常见故障分析---------------------------------------------------24

4.总结----------------------------------------------26

5.参考文献------------------------------------------26

电脑开关电源分析与检测

数控设备应用与维护专业0731班，余向阳

摘要：

常见的开关电源主要有单管并联式与双管半桥式。

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Q、开关变压器T、稳压控制电路、脉冲整流输出电器以及过压过流保护电路等。

本文主要讲述电脑开关电源常见故障及其维修方法。

相信读者看完后对电脑开关电源有更进一步的了解，以后碰到类似的疑难问题也能够轻松得到解决。

关键词：

整流滤波电路；稳压控制电路；过压过流保护电路

引言：

众所周知，任何电子设备无一不是由电源供能的。

传统的串联型电源拥有大量集成化的线性稳压电源模块、稳定性能好、输出纹波电源小，使用可靠等优点，但通常需要大而笨重的工频变压器与滤波器。

此外，为了保证有稳定的输出电压，其功率调整管必须承受较大的电压差，这样的话，功耗增大，效率一般只有45%左右。

需要采用大功率调整管并安装很大的散热器，这就难以满足当今电子设备小型节能发展的要求，从而促进了效率高，体积小，重量轻的开关电源迅速发展。

开关电源的应用范围很广，从电视接收机、激光视盘机、计算机、显示器及电脑办公设备到手机充电器，无处没有开关电源的应用。

开关电源分两类：

串联型与并联型。

在早期的电视机中用的是串联型开关电源，通过开关调整管及整流二极管与电网相连，使机板带电，因此很少在现代电子设备中使用。

而用并联型开关电源，其性能刚好弥补串联型的不足。

因此，在现代电器，尤其在互联网及办公设备中得到了广泛的应用。

单管开关电源自身组成振荡电路，直接进行功率变换，电压调整简单，但不宜用于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当中。

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。

这种电源适于功耗较大的电器设备中。

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Q、开关变压器T、稳压控制电路、脉冲整流输出电器以及过压过流保护电路等。

下面就让我们用银河系列ATX2P4-1为例，一起去了解电脑开关电源的组成、工作原理、常见故障以及相应的检修方法。

1.常见的开关电源

1.1单管并联式开关电源的结构

1.1.1电路组成

单管并联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、启动电路、开关振荡管Q、开关变压器T、稳压控制电路、脉冲整流输出电器以及过压过流保护电路等组成。

（如图1所示）

图1电路结构框图

1.1.2单管并联式开关电源工作原理

220V交流市电经开关、保险管，再经滤波器滤除其中的高频杂波，由桥式整流及电容滤波后得到约310V直流电压。

310V电压一路通过启动电路回到开关管控制极或到PWM脉冲产生电路，产生驱动脉冲控制开关管开始导通，另一路经过开关变压器初级到开关管上。

在PWM脉冲的驱动下，开关管工作于开关状态。

在开关变压器T的初级绕组（L1）中流过脉冲电流，在其输出绕组（L3）中也产生感应电压。

反馈绕组（L2）产生的感应电压在分立元件构成的开关电源中用于反馈，维持开关管工作状态；在集成电路组成的开关电源中用于为集成电路提供辅助电源。

输出绕组（L3）中产生的感应电压经脉冲整流得到输出电压，为负载提供辅助电源。

不同的电源输出绕组的多少不同，输出的电压也不同。

稳压控制电路从输出电压中取出样品电压，与基准电压相比较，产生误差电压。

误差电压通过改变PWM脉冲的频率和宽度改变开关管导通的时间长短和频率，调整输出电压的高低，实现稳压控制。

1.2双管半桥式开关电源的结构

1.2.1电路组成

双管半桥式开关电源电路（图2）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。

图2双管半桥式开关电源

1.2.2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上各形成对称的约+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驱动变压器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，由次级各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，与基准电压相比较，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或频率；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。

2.电脑开关电源辅助电源分析与检修

现行电脑电源由两大部分组成。

一部分为辅助电源，产生+5V及+12V电压输出。

+5V电压通过一根紫色引线输送到电脑主机，用作主机的待机电源，有人称为“紫5V”。

+12V用于开关电源内部相关电路。

第二部分为主开关电源，是为电脑主机提供±12V、±5V及＋3.3V电压的主电源。

下面我们以银河系列ATX2P4-1电源为例，介绍电脑主机开关电源的原理与检修技巧。

2.1辅助电源电路组成及工作原理

2.1.1交流输入及抗干扰电路

抗干扰电路又称干扰抑制电路，用于抑制交流电中的高频干扰成分，防止串入开关电源电路对电源产生干扰；更为重要的是防止开关电源电路工作时产生的高频杂波通过电源线串入电网对电网造成干扰，这种干扰称为传导干扰。

在开关电源通电工作的一瞬间，电网电压对整流滤波电路会产生很大的冲击作用，有可能会损坏整流滤波元件。

为避免这种情况，在整流之前又增设热敏电阻作为限流元件，如电路图用NT来表示。

TH是一个负温度系数热敏电阻，常温下阻值一般在10Ω以下，当热敏电阻中流过电流使其温度升高后，它的阻值变小，这样一来，在开机之时能起到限制浪涌电流对整流滤波电路的冲击，在开机后，又不会阻碍开关电源大电流的需要。

因在关机后热敏电阻温度不可能很快降低，所以在关机后应隔一段时间（3分钟以上）才能再启动，否则很可能造成整流元件及功率开关管损坏。

2.1.2整流滤波电路

市电经过干扰电路滤除杂波后，进入整流滤波电路。

整流电路采用桥式整流，利用晶体二极管的单向导电特性进行整流。

整流电路一般有两种形式。

其中一种采用四只整流二极管。

另一种采用一只整流桥，例如银河系列ATX2P4-1电源整流滤波电路。

整流后经电容滤波得到+310V不稳定的直流电压。

2.1.3启动电路

启动电路（图3）的作用就是给开关电源的工作提供启动电压，使开关电源开始工作。

启动电路一般有两种形式：

一种采用RC串联电路，这种启动电路仅在电源启动时起作用，在电脑、显示器办公设备中很少使用；另一种就是采用一个高值电阻或者两个电阻串联启动。

图3电脑开关电源启动电路

2.2开关变压器

开关变压器是电源中体积最大的元件，也是完成功率转换的核心元件。

开关变压器的实质也是一个变压器，不过它与普通变压器有很大的区别，并且与普通变压器是不能互换的。

2.2.3稳压控制电路

从变压器的工作原理来讲，输出电压的高低取决于开关变压器的初级5~6绕组中电流的大小和时间长短。

5~6绕组中电流越大，电流流过的时间越长，次级绕组获得的感应电压越高。

反之，次级绕组获得的感应电压越低。

因此，通过控制5~6绕组中电流流过的时间长短，就可以控制输出电压的高低。

G12进入饱和导通后，导通时间（即脉宽）的长短由脉宽控制电路来控制。

也就是说，G12从导通到截止，是由控制电路来实现的。

控制电路由取样电路、比较放大电路、基准电压、脉宽调整元件等组成。

取样比较电路根据输出的电压的高低，与基准电压比较后输出不同的误差电压去控制脉宽调整电路，由脉宽调整电路来调节开关管的导通时间，实现输出电压的稳定。

电路上主要采用了光电耦合器PC817和精密稳压器G10及脉宽调制三极管G11组成。

取样电路的取样方式一般分直接取样和间接取样两种。

直接取样是直接取自负载上的电压，银河系列ATX2P4-1就是用1R12和1R11从+5V输出端直接取样。

直接取样的优点是反应速度快，但需要一只光电耦合器来将取样电路的输出信号传送给脉宽调整电路，以隔离开关电源的“冷”与“热”部分。

间接取样由开关变压器绕组另设一组取样绕组提供，开关电源的“冷”与“热”部分则由开关变压器绕组间的绝缘解决。

银河系列ATX2P4-1的取样是直接取样，取样点是SB=+5V。

用电阻1R12和1R11串联，对SB=+5V电压分压，根据欧姆定律，对+5V分压产生2.5V的样品电压，这一电压随SB=+5V的变化成比例变化，反映了SB=+5V电压的实际状态，所以称为样品电压。

比较电路由G10构成。

G10由一只精密可控稳压源担任，型号是TL431，这是一种由电压控制、稳压值在2.5~36V间可变的稳压器件，相当于一个稳压二极管的。

当电压Ura与内部基准电压比较表现为减小时，电流Ika，Uka升高。

无论UKA降低还是升高，只要URA确定不变，UKA就不变，从而稳压。

样品电压加到控制极后，与内部的基准电压比较产生误差电压，误差电压改变电流大小，从而使流过光电耦合器中发光二极管的电流发生变化。

光电耦合器中发光二极管的电流发生变化又转换为光的强弱变化，控制光敏三极管的导通程度。

电阻1R9用于对光耦中发光二极管的分流，保证发光管工作安全。

开关变压器中7~8绕组既是反馈绕组，也为误差放大电路提供辅助电源。

反馈绕组的反馈电压经1D3整流1C2滤波，再由1R3限流后加到光电耦合器3脚，从4脚流出经三极管G11的b-e结到地形成通路。

光电耦合器3脚与4脚内部是一只光敏三极管，从3脚4脚流过的电流受发光二极管的强弱控制。

这样，反映输出电压实际情况的样品电压通过比较后产生的误差电压被隔离，放大并转换为电流，加到三极管G11的b-e结控制三极管G11的导通，并被三极管G11放大。

脉宽调制由一只三极管G11来完成。

严格来讲，脉宽调制电路是由整个稳压控制电路组成的。

当从误差放大电路来的控制电流增大时，三极管G11导通增强，对开关管G12控制极的反馈电压分压增强，G12提前截止，电流流过开关变压器5~6绕组的时间变短，从而使输出电压降低；当从误差放大电路来的控制电流减小时，三极管G11导通减弱，对开关管G10控制极的反馈电压分压减弱，G12导通时间加长，电流流过开关变压器5~6绕组的时间增长，从而使输出电压升高。

整个稳压控制过程可简述如下：

当某种原因使SB=+5V升高时，SB升，URA升，UKA降，IKA降，光耦中发光二极管发光升，光敏管通升，G11基极电流升，G11导通升，G10提前截止，SB降，从而实现稳压。

当某种原因使SB=+5V降低时，其稳压过程与上述相反。

电源中的保护电路主要包括浪涌电流限制电路、尖峰吸收电路、过流保护电路和过压保护电路等，下面进行详细讲解。

（1）浪涌电流限制电路

现代开关电源大都不设置开关控制交流电的输入，而是在接入交流电市电后电源就直接工作。

由于在用手插入插头时，不可避免发生抖动，造成接触不良；即使有开关，开机瞬间的大电流也会对整流滤波电路产生冲击，损坏开关电源。

为此，常用一只负温度系数热敏电阻连在整流滤波电路之前，作为加浪涌电流限制元件。

（2）尖峰吸收电路

在开关管由导通转入截止状态时，在5~6绕组中将会产生高达1KV的反向感应电动势，这一高压会使开关管瞬间击穿，为保护开关管。

电路设置了由1D5、1R8、1C7组成的开关管保护网络，称为尖峰吸收电路。

是开关管导通期间，该电路对电源工作没有影响；在开关管截止时，1D5正偏导通，将5~6绕组中的反向感应电动势释放，防止反峰高压将开关管击穿，保护开关管。

（3）过流保护电路

当电源负载过重或有短路故障时，流过开关管的电流将会急剧增大，进而损坏开关管。

为此，几乎所有的电源都会设计过流保护装置，例如银河系列ATX2P4-1电源中的保护电路由1R5、1R2、1C1和三极管G11构成，1R5称为过流保护取样电阻。

当由于过载或严重短路故障时，流过开关管的电流就会猛增过大，流过电阻1R5的电流也增大，并由1R5转换成电压，通过1R2加到三极管G11的b-e结，使三极管G11饱和导通，将开关管的栅极电压箝位在0.1V以下，使开关管停止工作，达到保护的目的。

电容1C1起到加速保护启动作用，称为加速电容。

（4）过压保护电路

过压保护的作用是防止由于故障时输出电压过高而损坏负载电路。

银河系列ATX2P4-1电源中的过压保护电路由稳压控制电路来完成，其保护过程与稳压控制过程相似，所不同的是只有当输出电压超过一定值时，保护电路才能启动。

稳压控制、过压保护、过流保护都是通过G11来执行的。

2.3辅助电源电路常见故障及故障检测点

2.3.1辅助电源常见故障分析

无输出电压故障。

辅助电源有两路电压输出，若两路均无输出电压，一般原因是无交流电输入，电源连接线断线及辅助开关电源损坏。

两路输出电压中某路输出偏低，若是+12V输出偏低，一般是滤波电容器C0失容，可打开电源外壳后直接更换电容；若是+SB5V电压输出偏低，一般为稳压控制电路有故障，滤波电容失容也是常见原因。

输出电压过低且有吱吱声。

这种现象表明负载有短路故障，可按短路故障处理。

2.3.2电源故障检测点

以银河系列ATX2P4-1电源为例，电源故障检测点主要包括：

+310V直流电压输出点，即高压整流滤波电容器C7的正极与C8的负极。

该点直流电压随交流电网电压的变化而有变化，正常情况下，该点直流电压等于交流电压的2的开根号倍。

当电网电压大于180V，而在该点测得的直流电压低于250V时，表明整流滤波电容器有故障。

开关管G12的栅极对地点。

通过测量该点电压可判定开关管是否处于振荡工作状态，正常情况下可在该点测出负电压。

低压整流输出端1C5和C0两端。

正常情况下1C5两端有+5V直流电压，C0端为+12V。

当测得这两点电压为零时，表明辅助电源无直流电压输出。

2.4辅助电源电路输出电路检修方法

2.4.1抗干扰及整流滤波电路检修方法

下面以银河系列ATX2P4-1电源为例讲解抗干扰及整流滤波电路的检修方法，其交流输入抗干扰及整理滤波电路如图4所示。

图4交流输入抗干扰及整流滤波电路

该电路常见故障主要有无310V直流电压、电压过低，尤其是串联电容器C7与C8上的电压不相等。

抗干扰及整流滤波电路检修方法为：

首先打开电压外壳，拆出电路板。

若因导线短，可将短导线拆下并用长一点的导线重新连接。

通过直观检查能发现保险管是否发黑、大滤波电容是否有“鼓胀”、开关管是否有炸裂破损等现象。

若有明显损坏元件，将其拆除或更换。

用电阻法检查保险管是否开路。

用万用表电阻挡测量保险管两端电阻，若阻值为无穷大则保险管开路损坏；在有些机型中，保险管是透明的，用眼就可看出来是否发黑，对不透明的保险管只能用电阻法测量。

若保险管已开路，表明电路有严重短路故障元件。

若保险管完好，可对电路加电进行电压检查，以进一步检查故障；

（1）用万用表电阻挡检测C1两端电阻，正常情况下，应接近无穷大，若阻值很小，说明C1、C2或整流桥中的整流管有短路，可逐一检查并更换损坏的元件。

（2）若C1两端阻值正常，测整流桥任两脚间电阻，若不正常更换整流桥。

（3）测滤波电容器C7正极与C8负极两端间电阻。

指针万用表红表笔接电容器C8负极，黑表笔接电容器C7正极。

数字万用表红表笔接C7正极，黑表笔接C8负极。

若阻值很小，表明有短路元件。

拆下开关管（因三只开关管共用一只散热片，需要全部拆下），再一次检查C7正极与C8负极两端电阻是否恢复正常。

若恢复正常，表明是开关管短路，转入安全检修法查找故障。

否则，继续查找并更换短路元件。

（4）给独立电源（未与电脑主机相连）通上交流电，进行电压检测

万用表选择500V挡，红表笔接C7正极，黑表笔接C8负极，正常情况下在接通交流市电后应有310V左右的直流电压。

若检测不到电压，表明从L、N输入端到整流桥输入端间有损坏元件或线路有看开路处，检查并修复；若测得电压低于250V，常见损坏元件为串联电容之一失容，必要时测量C7正负极两端电压（C与E之间）与C8正负极两端电压，应均为155V左右，若不相等表明滤波电容有故障，应及时更换；若能测量到有+310V左右电压，表明整流滤波电路正常。

（5）整流滤波电压正常后，装上辅助电源开关管（主电源开关管仍暂不装）进行下一步检查若是辅助电源开关管G12击穿，则不能装上开关管立即通电，否则开关管会有再一次被击穿的危险。

在对稳压控制电路和尖峰吸收电路检查确定无故障元件后，才能通电试验。

2.4.2启动电路的检修方法

如果电源电路中的整流滤波电压（310V）正常，须检查启动电路。

启动电路的检查方法为：

用万用表红表笔接开关管栅极，黑表笔接电源地，万用表选择20V挡。

在通电情况下测量的结果有三种情况：

一种是测量的电压为零，另一种是测量的电压约为0.5V左右，第三种是测量的电压约为-0.1~0.3V。

下面进行详细分析。

（1）测得电压结果为零

测得电压结果为零，表明启动电阻损坏或三极管G11击穿短路。

可在断电后，先对电容器C7与C8进行放电，然后再检查开关管栅极对地电阻。

若阻值很小，说明G11击穿短路或开关管栅极与漏极短路。

若阻值基本正常，检查启动电阻，必要时将其拆下，测量其阻值，以进一步证实。

若确为启动电阻损坏，直接更换即可。

启动电阻阻值一般都在200K左右。

（2）测得电压约为0.5V左右

若测得电压约为0.5V左右时，启动电路正常，接下来应检查正反馈电路。

测得电压约为-0.1~0.3V

若测得一负值，表明启动电路及正反馈电路均正常。

可在电容C0和C1、C5两端测其输出电压。

若正常则是输出导线有断线。

2.4.3反馈与振荡电路检修方法

反馈与振荡电路的常见故障主要为电路不起振。

如果测得开关管栅极电压约为0.5V时，表明电路不起振。

因为在电路没有起振时，反馈绕组就不会产生反馈电压，因而在加电的情况下无法测出电压。

该电路的检查与其他电路的检查方法不同，一般来讲，电阻检查法较为常用。

（1）在断电状态下，对滤波电容放电。

（2）用电阻法检查反馈绕组电阻，反馈绕组导线较粗，工作电流小，一般不会开路，常见的是开关变压器反馈绕组脱焊。

（3）检查反馈电阻1R7、二极管1D4是否开路，对反馈电容1C3先观察其外形是否正常，不能确定时对其代换。

（4）检查开关管G12是否正常，常见的是开关管击穿短路，开路故障少见。

若是开关管击穿，保险管和电阻1R5必然至少有一个开路，这种情况依照开关管击穿故障检修———安全检修法进行检测。

2.4.4稳压控制电路检修方法

稳压控制电路常见故障主要有输出电压过低和因稳压控制电路故障造成的电源失控、开关管被击穿损坏。

（1）输出电压偏低的检修

从稳压原理上来讲，输出电压过低表明是由于三极管G11导通过强，进一步可推出光电耦合器中光敏管导通过强，光电耦合器中发光管电流过大或精密稳压控制器导通过强，以及取样电路中电阻1R11阻值增大等，都可以引起输出电压降低。

因稳压控制电路元件多，在有输出电压的情况下，各点电压变化不是太明显，因而电压法检查不能有效地确定故障元件。

利用最原始的方法-----电阻法进行检查最有效。

对相关元件逐一排查，也可以采用模拟法进行检查，以确定故障范围。

如图5所示

图5稳压控制电路

（2）稳压控制电路的检修

首先直观检查滤波电容器1C5、1C6，如果有鼓胀、漏液，更换电容器试机，如果不能排除故障，则用模拟检查法。

检查过程如下：

先将万用表接在1C5的正负极准备检测电压，然后通电，用镊子将光电耦合器的3脚与4脚短路，观察输出电压是否有变化。

若使电源停止工作，输出电压变为0，表明电源初级部分基本正常。

将TL431阴极对地短路，观察输出电压是否有变化。

若依然有电压输出，可确定三极管G11或光电耦合器中的光敏管有软击穿故障，将其更换即可排除故障。

如果TL431本身击穿短路损坏，短路的结果不能发现问题，这时可用电阻法和电压法确定。

模拟检查法的优点是可迅速确定故障范围，若是被短路元件本身损坏，则不能反映问题。

如光电耦合器3脚与4脚本已短路，再人为短路3脚与4脚时，输出是不会有太大变化的。

对稳压控制电路进行模拟检查时，千万不能使稳压控制电路开通，否则会使反馈振荡失去控制，导致输出电压过高，甚至使开关管在一瞬间击穿，造成不必要的损失。

例如将三极管G11基极对地短路，将会使稳压控制电路失控。

利用模拟检查大致确定故障范围后，往往利用电阻法逐一排查故障元件。

2.4.5保护电路的检修方法

在银河系列ATX2P4-1辅助电源中，过流保护元件只有4个，即过流保护取样电阻1R5、限流电阻1R2、脉宽控制三极管G11及电容器1C1。

对这部分电路不宜用电压法，电阻法较为适用。

保护电路常见故障分析：

电阻1R5开路，则电源停振，无输出；阻值增大，大于10