电路板维修培训-UC384x系列构成的PWM式开关电源的电路分析与维修

万技成名师解读

摘要:主要介绍UC3842 /3 /4 /5系列PWM调制器的特点,并对其构成的开关电源的典型应用电路

进行分析,介绍了维修的基本步骤和维修应注意的几个问题。

关键词: UC3842 /3 /4 /5系列;开关电源;故障维修

开关电源工作在高频、大电流、高电压的状态下,极易发生故障,而且开关电源的电路结构形式多种多样,控制电路和保护电路也很复杂,各部分电路互有牵连,同样的故障现象可能对应于不同的故障原因,这些都增加了维修的难度。对于最常见的脉宽调制式( PWM)开关电源来讲,不管是自激式还是它激式的,都要包括整流滤波电路、启动电路、直流2直流变换电路、开关驱动脉冲产生电路、输出取样比较电路、脉宽调整电路以及各种保护电路。所以出现故障时,要根据故障现象进行认真分析检查,并抓住问题的核心,才能达到较好的维修效果。下面就以由UC3842 /3 /4 /5系列构成的开关电源为例进行介绍。

1 　UC3842 /3 /4 /5 系列介绍

UC3842 /3 /4 /5系列是高性能、固定频率、电流型单端输出式脉宽调制器。该系列IC采用D IP28、SO IC28、SO IC214等多种封装形式,图1给出了其中两种封装的管脚排列。如图1 ( a)所示的为N型封装,图1 ( b)所示的为D型封装(图中NC为空脚) 。该系列IC芯片中各型号内部结构、工作原理完全相同, 只是欠电压封锁门限和最大占空比不同。UC3842 /3 /4 /5 系列外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉,可直接驱动MOS功率开关管和大功率双极型开关管,所以其成为开关电源电路中最常用的集成电路之一。

1. 1　UC3842 /3 /4 /5系列的管脚功能

下面以N型封装的UC3842为例介绍其管脚功能:1脚( COMP ) : 误差放大器的输出端。在1脚与误差放大器反向输出端2 脚间加入RC网络,改变误差放大器闭环增益和频率特性。2脚(VFB) :误差放大器的反相输入端。通常将开关电源输出电压取样后加至此端,与内部基准电压(加至误差放大器同相端)在误差放大器中进行比较放大,输出的误差信号加至PWM锁存器,控制振荡脉冲的脉宽,以改变输出电压的大小。

3脚( ISEN) :电流检测端。用于检测开关峰值电流。当被检测的电流流经电阻时,转换为检测电压送入此脚,用来控制PWM锁存器,调整输出电压大小。并且当该脚电压超过1 V时,关闭输出脉冲,从而保护开关管不致过流损坏。4脚(RC /T) :内接振荡电路,外接RC定时元件,定时电阻R接在4 脚和8 脚之间,定时电容C接在4脚到地,振荡频率为F = 1. 8 / (RC) 。其振荡频率最高可达500 kHz。

5脚(GND) :电源电路与控制电路的接地端。

6脚(OUT) :推挽输出放大器的输出端。为推拉式输出,可直接驱动场效应管,驱动电流的平均值可达200 mA,最大可达1 A峰值电流,输出的低电平为1. 5 V,输出的高电平为13. 5 V。7 脚(VCC) : 电源端。外接电源电压VCC,UC3842 /3 /4 /5系列IC输入电源电压可达30 V。该电源经内部基准电压电路的作用产生5 V 基准电压,作为UC3842的内部电源使用,并经衰减得到2.5 V电压作为内部比较器的基准电压。

1. 2　UC3842 /3 /4 /5的典型应用电路

图2 所示为UC3842 /3 /4 /5 的典型应用电路。该电路的基本工作过程是:交流输入电压经桥式整流电路变为直流电压,该电压经电阻R1 对C1 充电,C1 两端的电压逐渐上升,当UC3842 的7 脚(VCC端)达到导通门限电压( 16 V)后, UC3842 开始工作。开关变压器的反馈绕组N2 两端电压经VD1、C2、C3 整流滤波及R3、R4 分压后, 从2 脚送入UC3842的误差放大器反相输入端,反馈电压与基准电压经误差放大器比较放大后,调整UC3842 的输出脉冲的宽度,从而稳定输出电压。电流反馈回路由电流取样电阻R10和R9、C7 组成的滤波电路组成。R10两端的取样电压经3 脚加到UC3842内的电流比较器的一个输入端,与另一端的误差电压进行比较,当该电压等于误差电压(最大值为1 V)时,UC3842 的输出脉冲被中断,从而实现限流保护。该电源采用直接驱动电路, R7 的作用是限制峰值驱动电流, R5 、C4组成误差放大器的补偿网络, R6、C6 确定振荡频率和死区时间,R6、C6 确定振荡频率和死区时间, R12、C9、VD2 及R11、C8、VD3 组成浪涌吸收电路以保护开关管。一般在UC3842的6脚对地之间还要接一个肖特基二极管(图2中未画出,该管正端接地负端接6 脚) ,以防止输出端电压低于地电位。开关电源在UC3842 输出驱动脉冲的作用下,开关管交替导通与关断,开关变压器的次级(N3 侧)可得到交流电压。该电压经整流滤波后,可获得稳定的直流输出电压。

1. 3　UC3842 /3 /4 /5各管脚的实测值

UC3842 /3 /4 /5各管脚在路测量时的实测值见表1。

表1　UC3842 /3 /4 /5各管脚在路测量时的实测值

1. 4　与UC3842 /3 /4 /5可替换的集成电路UC2842A /2843A, UC3842A /3843A, UC2842B /2843B, UC3842B /3843B, UC2844 /2845, UC2844B /2845B,UC3844B /3845B 等都可与UC3842 /3 /4 /5 系列替换,这些芯片的管脚功能和各项参数基本相同。它们的差别在于UCx842,UCx842B,UCx844,UCx844B具有16 V (导通门限)和10 V (关断门限)的欠压封锁门限值,当供电电压由低(如10 V以下)向高上升时,供电电压只有超过16 V芯片才开始工作,启动后工作电压可低于16 V,但不能低于关断电压(10 V)。当电压由高降低到10 V以下时,芯片欠压封锁无输出。而UCx843A,UCx843B,UCx845,UCx845B具有8.5 V (导通门限)和7. 6 V (关断门限)的欠压封锁门限值,能满足较低电压应用的要求。

2 　各部分电路故障分析和检修步骤

2. 1　各部分电路故障分析

2. 1. 1　输入整流滤波电路

主要包括整流二极管D1 ～D4、300 V滤波电容C1、电源噪声滤波电路。常见故障:整流二极管击穿或开路;滤波电容漏电、击穿或容量变小;限流电阻开路。若整流二极管或滤波电容击穿则会烧保险管;而整流二极管开路或滤波电容容量变小或漏电,会使输出电压纹波系数增大;有时整流滤波电路的故障还会造成无300 V

直流输出,开关电源停振。

2. 1. 2　启动电路

启动电路是开机时为开关管VT或驱动脉冲产生集成电路UC3842 提供工作电流。常见故障:电阻R2 开路,开关电源不能振荡起来,所以故障现象为开关电源无电压输出,但不烧保险管,直流300 V正常。

2. 1. 3　主变换电路

(1) UC3842的工作电压回路。包括开关变压器的N2 绕组及VD1、C2 等组成的滤波电路。常见

故障:整流二极管击穿,滤波电容短路和漏电等。

(2) 开关管VT及其附属回路。包括UC3842的6脚,电阻R7、R8、R10 ～R12 ,电容C8、C9 ,二极管VD2、VD3 ,场效应管VT,变压器T的N1 绕组。常见故障:电阻断路、电容漏电或容量变小、二极管和场效应管的击穿短路、开关变压器管脚接触不良、内部线圈断路或局部短路等。以上两点具体表现为电源电路的主变换电路不工作。如果电容C8、C9 和二极管VD2、VD3及开关管VT软击穿对地短路,则会造成烧保险管,电源短路等故障。开关变压器管脚接触不良或内部线圈断路表现为300 V电压正常,但无输出电压;内部线圈局部短路会使回路电流增大引起过流保护或烧毁开关管等元件。

2. 1. 4　驱动控制和稳压电路

主要包括脉宽调整集成电路UC3842及外围电路,它是整个电源电路的重点,该处故障率较高。

(1)开关驱动脉冲振荡产生电路

该部分电路出现故障会使开关管因无驱动脉冲而停振。表现为300 V电压正常,无输出电压,不烧保险。维修时先检测UC3842 的4脚,应有锯齿波,若没有,查电容C5、C6 ,一般是电容漏电和短路所造成。如果4脚正常, 6脚应有脉冲信号输出。如果6脚无信号输出,可能是UC3842 或该芯片脉冲输出回路所造成的。此时,可把UC3842 脉冲输出6脚与其相对应的走线断开,再重复测6脚信号,如果还无脉冲信号,则UC3842损坏。一般来讲,UC3842系列工作电压低,工作电流小,不易损坏,其损坏最常见的原因为电源开关管短路后高压从栅极灌入UC3842系列的输出脚(OUT端)而被烧毁。有些电源在设计中省去了栅极接地的保护二极管,则电源开关管损坏时UC3842和栅极外接限流电阻必坏。

(2)取样比较电路

取样比较电路主要有两种形式,一是在开关变压器上采用取样反馈绕组(图3 中N2 绕组) ,二是通过光耦由输出端获得取样电压加到UC3842 的2脚。此部分主要为开路性故障,会引起输出电压偏离正常值,当电压偏高时,易引起保护电路动作,无输出电压。

2. 1. 5　直流电压输出电路

主要包括次级绕组N3 回路的整流滤波电路。

常见故障: (1 ) 整流二极管或滤波电容短路,会因过流而引起保护,无输出电压,不烧保险;滤波电容容量变小或漏电,会使输出电压偏离正常值。(2)负载电路短路,可能造成烧毁保险管、开关管击穿现象。检修时可接假负载并加电试验,电源电路若正常工作则负载电路故障,如负载电路发生短路等。

2. 2　开关电源检修步骤

在实际维修中最常见的故障现象有以下几种,现把它们的常规检修过程介绍如下:

(1)烧熔断器

此故障现象说明在开关变压器以前的电路中有严重的短路情况。故障范围一般在开关变压器的初级绕组回路,常见为整流二极管击穿、滤波电容击穿、开关管击穿,这些元件损坏都会使电流过大,而烧熔断器。检修时须用万用表依次检查整流桥、滤波电容和开关管是否击穿。对于开关管击穿还要检查其周围电路,如浪涌电压吸收回路、过流保护电路等,以确定是何原因造成开关管击穿的,做到彻底修复。

(2)不烧熔断器, 过压保护不动作

此故障的范围较大,如开关电源的负载短路,开关变压器次级整流二极管被击穿,或开关电源的

启动电路、取样反馈电路、脉宽调整电路也有可能产生这种故障现象。为此, 首先要判断是负载故障,还是开关电源本身的故障。具体方法是:通电前先用万用表电阻档测量各路负载的对地电阻,判断负载是否短路。当有短路时,查出故障点并排除;如没有测出短路, 这时就要通电检测各输出端的电压。当电压为零时, 一般是电源本身的问题; 当电压比正常低很多时, 则是负载有短路。如果是开关电源本身的故障, 则可先测量,看是否有+ 300 V,若无

300 V , 故障多是电源开关不良、300 V 限流电阻开路、整流二极管开路、线路板断裂、虚焊等。有300V 则可能是启动、反馈及脉宽调节等电路问题, 可先测量开关管基极电压, 如基极无电压, 则可能是启动电路元件变质、开路或虚焊造成;也可能是反馈电路、脉宽调节电路中的电阻、电容、变压器等开路或虚焊, 以及开关管、集成电路损坏使电源不起振

而造成电源无输出。

(3)不烧熔断器但过压保护电路动作

此故障一般发生在取样比较电路及脉宽调节电路, 而以取样比较电路故障率较高。这种故障较难修理, 因为检修不能通电进行, 一通电就保护, 甚至还有可能烧元件, 因此维修这种故障时必须特别谨慎。常见故障是: 取样比较电压滤波电容开路、脉宽调整电路工作电源供电电容开路、取样电压输入回路元件开路、取样偏置电路短路或下偏置电阻开路等。

3 　开关电源维修时需注意的几个问题

开关电源维修时应注意以下几个问题:

(1)维修时不能断开电压反馈回路。例如断开了图2中二极管VD1 或UC3842的2脚到反馈线圈

的回路的任一处,则2脚的电压达到最低,这时脉宽调制器UC3842的6 脚输出脉冲将达到最宽,从而使开关电源的输出电压远远超出正常值。过高的电压有可能对其它元件造成损坏,使故障范围进一步

扩大。

(2)用万用表进行检修前应先将电源的主滤波电容的剩余电荷释放掉,以免损坏万用表和电路中

的其它元件。

(3)目前开关电源故障主要为无电压输出,而且故障的范围往往波及较大,通常不止一个元件而是数个元件同时损坏,在这一点上与其它电路有所不同,维修起来困难些。有时若维修不善还会造成故障范围的扩大,特别是通电检查时一定要慎重,因为有时虽然找出了一两个故障元件,但并不能保证所有的故障原因都查出来了,若开机还有可能造成故障的扩大。在检修时一般要保证300 V整流滤波和负载电路正常,若不能肯定某一路负载电路正常,可断开该路负载。当断开所有负载时,要接上假负载,常为40～60 W的灯泡。

(4)维修时要注意人身安全和仪器安全。这是因为开关电源的地(即开关变压器初级一侧的地)是市电经整流得到的脉动直流的地,它与大地间没有实现隔离始终要有一个交变的电压,所以它的地总是带电的,是热地。