Как проверить импульсный блок питания
Обновлено: 21.11.2024
Поиск и устранение неисправностей импульсного источника питания
1. Перегоревший предохранитель
В обычных условиях перегоревший предохранитель указывает на проблемы во внутренних цепях. Блок питания работает под высоким напряжением и током. Колебания напряжения или скачки напряжения в сети часто вызывают мгновенное увеличение тока, что может привести к перегоранию предохранителя. Пользователи должны проверить, нет ли пробоя, обрыва цепи или повреждения выпрямительного диода, высоковольтного фильтрующего электролитического конденсатора и трубки инверсионного силового выключателя на входе. Если предохранитель питания перегорел без каких-либо признаков других проблем, пользователи должны проверить компоненты на печатной плате, чтобы убедиться, что они не перегорели из-за вытекшего электролита. Если такого условия нет, пользователи должны проверить мультиметром наличие пробоя или короткого замыкания. Пользователи не должны запускать оборудование даже после обнаружения и замены поврежденной детали, поскольку неисправные высоковольтные компоненты могут повредить вновь замененную деталь. При работе со сгоревшим предохранителем пользователи должны проверить все высоковольтные компоненты на печатной плате перед запуском оборудования.
Если силовой предохранитель остается в идеальном состоянии, но нет выхода постоянного тока на различных уровнях в нагруженном состоянии, это может быть вызвано обрывом цепи, коротким замыканием, перенапряжением, перегрузкой по току, неисправностью вспомогательного оборудования. питания, выход из строя колебательного контура, перегрузка источника питания, пробой выпрямительного диода в цепи высокочастотного выпрямления и сглаживания или электрическая утечка сглаживающего конденсатора. Если выходное напряжение остается равным нулю после проверки вторичных компонентов мультиметром и устранения неисправности, перегрузки или короткого замыкания диода высокочастотного выпрямителя, это может свидетельствовать о наличии проблемы с цепью управления источником питания. Если на некоторых участках есть выходное напряжение, значит бортовая схема работает исправно и проблема в высокочастотной схеме выпрямления и сглаживания. Схема высокочастотной фильтрации в основном использует выпрямительный диод и фильтрующий конденсатор низкого напряжения для вывода постоянного тока. Если выпрямительный диод выйдет из строя, схема не сможет выводить напряжение. Кроме того, электрическая утечка фильтрующего конденсатора приводит к нестабильности выходного напряжения. Поврежденные компоненты можно обнаружить, проверив соответствующие детали с помощью мультиметра.
<р>3. Плохая грузоподъемность
Плохая грузоподъемность является распространенной неисправностью. Это часто наблюдается у традиционных блоков питания или тех, которые работают в течение долгих часов. Это вызвано старением компонентов, нестабильной трубкой переключателя или плохим состоянием охлаждения. Пользователи должны проверить и подтвердить состояние регулируемого диода, выпрямительного диода, сглаживающего конденсатора высокого напряжения и т. д.
Руководство по ремонту импульсного источника питания
Ремонт импульсного источника питания можно выполнить в два этапа:
1. В случае отключения питания пользователи могут проводить техническое обслуживание путем визуального осмотра, обоняния, опроса и измерения.
- Визуальная проверка: откройте корпус блока питания, чтобы проверить, не перегорел ли сетевой предохранитель. Проверьте внутреннюю часть блока питания. Если компоненты на печатной плате сгорели, пользователи должны проверить окружающие компоненты и соответствующие компоненты схемы.
- Запах: проверьте, нет ли запаха гари во внутренней части блока питания и нет ли сгоревших компонентов.
- Вопрос: спросите о процессе повреждения источника питания и проверьте, не нарушается ли работа.
- Измерение: используйте мультиметр для измерения напряжения на обоих концах высоковольтного конденсатора перед включением питания. Если импульсный источник питания не колеблется или имеет неисправности, вызванные коммутационной трубкой, в большинстве случаев напряжение на обоих концах конденсатора фильтра высокого напряжения не снимается. Поскольку напряжение очень высокое, пожалуйста, будьте осторожны! При измерении прямого и обратного сопротивления на обоих концах линий электропередачи переменного тока, а также состояния зарядки конденсатора значение сопротивления не должно быть слишком низким, иначе во внутренней части источника питания возникнет короткое замыкание. Кроме того, должно быть подтверждено, что конденсатор высвобождает и заряжает питание. Затем пользователям необходимо измерить сопротивление заземления различных выходных концов после отключения нагрузки соответственно. Обычно индикатор мультиметра должен качаться при отключении питания или зарядке конденсатора. Индикатор должен наконец отображать сопротивление прокачки.
Проверьте, не перегорел ли предохранитель питания и не дымят ли компоненты после включения питания. При необходимости пользователи должны отключить питание для проведения технического обслуживания.
Измерьте, есть ли выходное напряжение 300 В на обоих концах сглаживающего конденсатора высокого напряжения. Если это нормально, пользователи должны проверить выпрямительный диод, сглаживающий конденсатор и т. д.
Измерьте, есть ли выходное напряжение на вторичной обмотке высокочастотного трансформатора. Если это нормально, пользователи должны проверить, не повреждена ли трубка переключателя, колеблется ли трубка переключателя, работает ли защитная схема и т. д. При обнаружении проблем в вышеупомянутых аспектах пользователям необходимо проверить выпрямительные диоды, сглаживающие конденсаторы и трехходовые регулировочные трубки на выходных сторонах.
Если блок питания отключается после запуска, пользователи должны проверить, остается ли блок питания в защитном состоянии, измерив защитное напряжение микросхемы ШИМ. Если напряжение превышает указанное значение, это означает, что источник питания находится в защитном состоянии, и пользователи должны выяснить причины защитного состояния.
Два основных типа источников питания, линейный и импульсный (SMPS), работают по совершенно разным принципам и имеют отличительные характеристики. Работа по проектированию и обслуживанию каждого из них требует совершенно разных подходов.
Внутри SMPS.
ИИП в настоящее время широко используются благодаря большей эффективности, меньшей стоимости, лучшему весу и тепловым качествам. Есть некоторые недостатки, которые, тем не менее, можно смягчить путем тщательного планирования на этапе проектирования.
Во-первых, в перспективе мы вернемся к старому линейному блоку питания. Это была знакомая часть аналоговых ЭЛТ-телевизоров, что приводило к значительному весу из-за тяжелого силового трансформатора. Однако это было плюсом, поскольку несколько вторичных отводов позволяли использовать любое количество напряжений, необходимое для смещения, нитей накала, отклонения кинескопа и т. д.
В линейных источниках питания активные устройства работают на линейной части своих кривых отклика. Это отличается от SMPS, где сначала входная мощность преобразуется в прямоугольные волны с переменным рабочим циклом. Активные компоненты работают в нелинейных режимах. Когда компоненты работают на линейных участках своих кривых отклика, они эффективно действуют как переменные резисторы, которые рассеивают мощность (из-за I 2 R). Вот почему значительная часть подводимой мощности рассеивается в виде тепла, и именно так обстоит дело в линейном источнике питания.
Линейный источник питания состоит из ряда каскадов. Линия переменного тока, часто начинающаяся с вилки для подключения к однофазной электросети 120 В, проходит через отверстие в шкафу с прокладкой, где на входе всегда есть предохранитель и выключатель с дополнительным индикатором питания. Он питает первичную обмотку силового трансформатора, который может иметь любое количество вторичных обмоток. Помимо способности обеспечивать несколько напряжений, этот тип трансформатора не имеет электрического соединения между первичной и вторичной обмотками, поэтому он известен как изолирующий трансформатор. (Заземление не проходит через трансформатор, если только это не автотрансформатор, где первичная и вторичная обмотки представляют собой одну обмотку с ответвлениями в разных точках.)
Что хорошо в линейном блоке питания, так это то, что за потоком энергии легко следить. Он поступает на выпрямитель, состоящий из одного или нескольких диодов, на электролитические фильтрующие конденсаторы, включенные параллельно для устранения пульсаций переменного тока, а иногда и на более дорогие последовательно соединенные катушки индуктивности для дополнительной очистки постоянного тока. Затем идет линейный регулятор и окончательный выход постоянного тока. Все это легко проектировать и диагностировать. Наиболее распространенными источниками сбоев являются электролитические конденсаторы, которые можно осмотреть визуально и проверить с помощью мультиметра.
Как упоминалось ранее, полупроводники в линейном источнике питания могут эффективно формировать большое сопротивление, которое рассеивает тепло, а линейные источники питания содержат громоздкие компоненты (например, трансформатор), которые делают источник физически большим. Для небольших бытовых приборов тепло может не быть проблемой, но большие размеры и вес компонентов могут быть проблемой. Сотовые телефоны и ноутбуки, какими мы их знаем, были бы невозможны с линейными блоками питания.
Напротив, импульсный источник питания включает транзистор, который работает как цифровой переключатель. Выключатель либо выключен, практически не пропуская ток, либо полностью включен с небольшим сопротивлением. Единственный момент, когда тепло генерируется и должно рассеиваться, это во время переходов вкл/выкл. Чрезвычайно быстрое время нарастания и спада прямоугольной волны делает эти переходы исчезающе короткими. Этот фактор объясняет большую эффективность SMPS. Кроме того, как мы увидим, изолирующий трансформатор работает на частоте переключения, поэтому он может быть меньше по сравнению с 60-Гц силовым трансформатором, который является неотъемлемой частью линейного источника питания.
Небольшой размер компонентов, большая эффективность и более низкая стоимость привели к широкому использованию SMPS почти во всем электронном оборудовании. Последние инновации позволили использовать его в приложениях высокой мощности. Но внедрение SMPS не обошлось без проблем. Одним из них является генерация электронного шума, который, если его не уменьшить, может появиться как на входе, так и на выходе SMPS. Кроме того, электронный шум, создаваемый процессом переключения, может распространяться как излучение устройства. Это связано с тем, что прямоугольная волна с почти мгновенным временем нарастания и спада напоминает высокочастотный источник энергии, богатый разрушительными гармониками.
При включении SMPS проявляет пусковой ток, который может воздействовать на расположенное рядом чувствительное оборудование через систему распределения питания. Другой потенциальной проблемой, вызванной гармониками, является нагрев нейтрального проводника в источнике питания. Решение состоит в том, чтобы увеличить размер этого провода. Вообще говоря, даже там, где требуются уточнения, общие преимущества SMPS значительны независимо от масштабирования.
Регулятор напряжения является неотъемлемой частью SMPS. Он работает, изменяя соотношение между временем включения и временем выключения. Этот метод является решающим шагом вперед по сравнению с линейным источником питания, где выходное напряжение должно рассеиваться в полупроводнике.
Выход SMPS является функцией его входа, но не в соответствии с соотношением первичных и вторичных витков в силовом трансформаторе, как в линейном источнике питания. Напротив, одна из конфигураций, типичная для SMPS, состоит в том, чтобы иметь постоянное напряжение последовательно с катушкой индуктивности и переключателем, управляемым прямоугольной волной. Размах напряжения, измеренный на переключателе, может превышать напряжение постоянного тока, измеренное на входе. Это одна из причин, по которой работа с SMPS не для слабонервных.
Более высокое напряжение возникает из-за того, что индуктор создает индуцированное напряжение в ответ на изменение тока. Это напряжение добавляется к напряжению источника постоянного тока в течение периода времени, когда переключатель разомкнут. Дальнейшее усовершенствование заключается в добавлении к переключателю диода и конденсатора. Пиковое напряжение сохраняется в конденсаторе в виде электрического заряда. В этот момент конденсатор становится источником постоянного тока, и общее выходное напряжение становится больше, чем постоянное напряжение на входе. Это повышающий преобразователь, который работает на постоянном, а не на переменном токе. Это режим переключения, эквивалентный повышающему трансформатору в линейном источнике питания.
Еще один вариант импульсного режима — повышающе-понижающий преобразователь, который изменяет полярность выхода по отношению к входу. Другая реализация представляет собой понижающую схему, которая увеличивает средний выходной ток, платой за которую является более низкое выходное напряжение.
Существует много переменных в настройке SMPS. Выходной ток всегда зависит от входной мощности. Но с многочисленными топологиями схем и различными методами управления переключателем, такими как широтно-импульсная модуляция, существует бесконечное количество комбинаций. Таким образом, кривая обучения гораздо более крутая по сравнению с линейным блоком питания.
Основная трудность при измерениях импульсных источников питания заключается в том, что часто интересующая форма сигнала представляет собой пульсации уровня милливольт, расположенные поверх сигнала в диапазоне 100 В. Точно так же компоненты источника питания могут работать при напряжении около 100 В в одном состоянии и при милливольтах в другом. Такой большой динамический диапазон может создать проблемы для восьмибитных цифровых осциллографов, используемых в лабораториях электроники.
Например, одним из распространенных измерений SMPS является определение потерь при переключении и средних потерь мощности в коммутационном устройстве. Первым шагом является определение напряжения на коммутационном устройстве во время выключения и включения. Напряжение на коммутационном устройстве имеет широкий динамический диапазон. Напряжение на переключающем устройстве во включенном состоянии зависит от типа переключающего устройства. Напряжение в выключенном состоянии зависит от рабочего входного напряжения и топологии питания. При максимальном входном напряжении для ИИП с входом 120 В напряжение на коммутационном аппарате в выключенном состоянии может достигать 750 В. Во включенном состоянии
напряжение на тех же клеммах может составлять от нескольких милливольт примерно до одного вольта.
Для захвата таких сигналов вертикальный диапазон осциллографа должен быть установлен на 100 В/дел. При этой настройке многие осциллографы принимают напряжение до 1 кВ. Проблема с использованием этого параметра заключается в том, что минимальная амплитуда сигнала, которую может разрешить восьмибитный осциллограф, составляет 1000/256, или около 4 В.
Некоторые современные осциллографы предлагают программное обеспечение для питания, которое решает эту проблему, позволяя пользователю вводить значения RDSON или VCEsat для основного полупроводникового переключателя из паспорта устройства, вместо того, чтобы пытаться измерить их напрямую. В качестве альтернативы, если измеренное напряжение находится в пределах чувствительности осциллографа, прикладное программное обеспечение может использовать полученные данные для своих расчетов, а не значения, введенные вручную.
Вот как Tektronix описывает влияние задержки распространения на измерения напряжения и тока импульсных источников питания. Tek является одним из производителей прицелов, которые предоставляют пакеты для устранения перекоса и других подобных проблем, которые решат проблему на его оборудовании.
Еще одна проблема, возникающая при измерениях импульсных источников питания, связана с использованием датчиков напряжения и тока. Необходимо измерить напряжение и ток через переключающее устройство, либо MOSFET, либо биполярный транзистор (обычно IGBT). Для этой задачи требуются два отдельных датчика: дифференциальный датчик высокого напряжения и датчик тока. Каждый из этих зондов имеет разную задержку распространения. Разница в этих двух задержках, известная
как асимметрия, приводит к неточным измерениям времени и искажениям отображаемых сигналов мощности.
Задержки распространения пробника могут повлиять на измерения максимальной пиковой мощности просто потому, что мощность является произведением напряжения и тока. Если две перемножаемые переменные не идеально выровнены по времени, результат будет неправильным.
К счастью, существуют способы исправить перекос показаний пробника, чтобы точность измерений, например потери при переключении, не пострадала. Некоторое программное обеспечение для измерения мощности автоматически устраняет перекос щупов. Здесь программное обеспечение берет на себя управление осциллографом и регулирует задержку между каналами напряжения и тока, используя текущие сигналы тока и напряжения.
Также доступна функция статического устранения перекоса. Эта функция использует тот факт, что определенные пробники напряжения и тока имеют постоянные и повторяемые задержки распространения. Встроенная таблица времени распространения для выбранных пробников позволяет функции статического исправления перекоса автоматически регулировать задержку между выбранными каналами напряжения и тока.
Дифференциальные и токовые датчики могут иметь небольшие смещения, которые следует устранить перед проведением измерений. Некоторые датчики имеют встроенный автоматизированный метод удаления смещения. Другие датчики требуют ручного удаления смещения. Большинство пробников дифференциального напряжения имеют встроенные регуляторы смещения постоянного тока, что делает удаление смещения относительно простым.
Аналогично токовые датчики нуждаются в регулировке перед проведением измерений. Дифференциальные и токовые пробники являются активными устройствами, и всегда будет присутствовать некоторый шум низкого уровня, даже в состоянии покоя. Этот шум может ухудшить результаты измерений, основанных на данных о форме сигналов напряжения и тока. Следовательно, некоторые программы для измерения мощности включают в себя функции преобразования сигнала, которые минимизируют влияние собственного шума пробника.
Наконец, есть вопрос коэффициента мощности, который касается как управляющего предприятием, так и коммунального предприятия. Линейный источник питания обычно имеет низкий коэффициент мощности. SMPS без коррекции коэффициента мощности потребляет большое количество тока, совпадающее с пиками формы сигнала переменного тока. Эту проблему можно решить с помощью хорошо продуманной коррекции коэффициента мощности. Точно так же большой пусковой ток в SMPS можно уменьшить с помощью оборудования плавного пуска.
Подводя итог, можно сказать, что по сравнению с линейным источником питания импульсный источник питания эффективен и недорог. Однако его гораздо большая сложность требует знаний, выходящих за рамки простой электроники.
Импульсные источники питания (SMPS) теперь являются стандартом для большинства наших бытовых приборов. Старомодные линейные источники питания на основе трансформаторов сетевой частоты исчезают, в основном из-за их стоимости, больших габаритов и веса. Мы имеем в виду источники питания от сети (скажем, 120 В или 230 В переменного тока) мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен ватт.
Импульсные блоки питания есть везде; вот несколько фотографий их кишок. Для SMPS типичны большие мощные компоненты и небольшие радиаторы.
Эти устройства невероятно надежны, но, будучи очень часто постоянно включенными (даже когда их нагрузка отключена), они все равно остаются слабым звеном. На компоненты подается высокое напряжение, они нагреваются, быстро изнашиваются из-за постоянной работы, а при перенапряжении в первую очередь затрагивается ИИП. Многие проблемы с нашей бытовой техникой связаны с неисправностями SMPS.
К сожалению, SMPS довольно сложно ремонтировать, и ко мне часто обращаются за советом. Итак, я обобщил на этой странице основные идеи и приемы, которые использую чаще всего.
Здесь, я полагаю, у вас есть идеально спроектированная схема, которая раньше работала идеально и внезапно вышла из строя. Если вы пытаетесь отладить свой собственный дизайн, некоторые из этих приемов по-прежнему применимы, но вам, вероятно, понадобится нечто большее, чем просто эта статья.
Структура SMPS
Во-первых, давайте взглянем на общую блок-схему SMPS. Сетевое питание поступает в цепи через сетевой фильтр, выпрямляется и сглаживается для получения высокого постоянного напряжения (несколько сотен вольт).Некоторые выпрямители имеют переключатель, который делает их удвоителями напряжения при работе с сетью 120 В переменного тока или просто выпрямителем при работе с 230 В. Некоторые другие предназначены для работы, скажем, от 100 до 240 В переменного тока без переключателей, а регулятор делает все остальное. . Это высокое постоянное напряжение переключается одним или несколькими транзисторами (или МОП-транзисторами) для управления первичной обмоткой ферритового трансформатора. На вторичной стороне напряжение выпрямляется и фильтруется. Переключающие транзисторы управляются схемой управления, которая измеряет выходное напряжение (и входной ток) и соответствующим образом регулирует их. Эта схема управления очень часто находится на первичной обмотке и питается от дополнительной обмотки трансформатора. Образец выходного напряжения возвращается через оптопару. В некоторых случаях схема управления расположена на вторичной стороне и управляет транзистором (транзисторами) через небольшой дополнительный трансформатор. Во всех конфигурациях есть дополнительная схема, позволяющая запускать контроллер при включении питания.
Всегда существует очень четкое разделение между сторонами высокого и низкого напряжения (первичная и вторичная стороны). Вы можете наблюдать это на нижней (медной) стороне печатной платы как большее расстояние между дорожками. Иногда в этой области удаляется лак паяльной маски или имеются отверстия и прорези для увеличения изоляции. На изображениях на этой странице это разделение часто отмечено красной пунктирной линией.
В этом SMPS используются компоненты классического типа (сквозные отверстия). Сторона высокого напряжения находится слева от красной пунктирной линии.
В этом SMPS используются современные компоненты для поверхностного монтажа (SMD). Здесь контроллер выполнен по технологии SMD и установлен на нижней стороне. Большой диод SMD представляет собой выпрямитель низкого напряжения. Сторона высокого напряжения находится над пунктирной красной линией.
Первичная и вторичная обмотки полностью изолированы трансформатором по постоянному току. Очень часто, если земля выхода не соединена с землей сети, небольшой высоковольтный конденсатор соединяет эти две земли на высокой частоте.
Голубой конденсатор на этом рисунке — это конденсатор высокого напряжения, соединяющий землю низкого напряжения с землей сети. Конечно, есть изоляция по постоянному току.
Безопасность превыше всего
Прежде чем начать, хочу лишь напомнить, что ИИП — это опасные цепи: половина компонентов напрямую подключена к сетевому напряжению. Большой накопительный конденсатор заряжается высоким напряжением и может представлять опасность даже при отключении сетевого питания. Не все SMPS включают прокачивающие резисторы (иначе они могут выйти из строя), поэтому конденсаторы могут оставаться заряженными в течение длительного времени. Всегда убедитесь, что все конденсаторы полностью разряжены, прежде чем прикасаться к цепи. Чтобы разрядить конденсаторы, не закорачивайте их отверткой, вместо этого используйте подходящий резистор (несколько кОм и несколько ватт), подключенный к двум изолированным щупам, как у мультиметра. Затем измерьте напряжение и убедитесь, что оно равно нулю, прежде чем продолжить. Имейте также в виду, что радиаторы очень часто не заземлены и вполне могут находиться под сетевым напряжением. Остерегайтесь принимать меры с помощью осциллографа: осциллографы заземлены на сеть (и заземлять их - плохая идея), и вы можете замкнуть провод заземления (это будет опасно и для вашего осциллографа). Таким образом, ремонт SMPS предназначен для опытных и квалифицированных специалистов; если вы точно не знаете, что делаете, держитесь подальше от SMPS.
Этот SMPS не имеет стабилизирующего резистора на конденсаторе фильтра высокого напряжения. Пожалуйста, обратите внимание на припаянный к нижней стороне печатной платы резистор 330 кОм во время ремонтных работ, чтобы автоматически разрядить конденсатор в разумные сроки и избежать потенциальных ударов. Сторона высокого напряжения находится справа от красной пунктирной линии.
Визуальный осмотр
Обычно я начинаю с визуального осмотра, чтобы составить представление. Конечно, сначала я отключаю SMPS и убеждаюсь, что все конденсаторы разряжены. Многие неисправные электролитические конденсаторы, если они не взорвались, легко обнаружить, потому что они «раздуваются», и их верхняя (или нижняя) сторона приобретает форму купола (см. Ниже). Сгоревший резистор также можно определить по его черному цвету и неприятному запаху. Очень важно посмотреть на ферритовый трансформатор: если он выглядит сгоревшим и плохо пахнет, я обычно сдаюсь, потому что у него могут быть закороченные витки, а ремонтировать или найти запасную часть - кошмар. Если трансформатор неисправен, я предпочитаю заменить весь SMPS и сэкономить много времени. Некоторые компоненты теплые и со временем становятся немного коричневатыми (то же самое верно и для платы рядом с ними): это не обязательно проблема; немного коричневого цвета нормально, черный и вонючий - нет.
Если в вашем SMPS есть микросхема регулятора, попробуйте найти ее техническое описание в Интернете: многие SMPS имеют принципиальную схему, очень похожую на примеры, приведенные в технических описаниях. Если это так, вы сэкономите много времени.
Начните с осмотра сетевого предохранителя SMPS (этот исправен).
Начните с осмотра сетевого предохранителя: это даст вам хорошее представление о причине неисправности. Перегоревший предохранитель обычно означает много неисправных полупроводников; здоровый, вероятно, всего лишь один компонент.
Три предохранителя Ø5 × 20 мм: левый исправен, средний перегорел средним током и правый перегорел большим током.< /маленький>
Также посмотрите, как выглядит предохранитель: если он только медленно сгорал, то сбой не был катастрофическим, но если предохранитель почти "взорвался", то был большой ток, когда он взорвался, и вы можете ожидать много поврежденных компонентов. (особенно полупроводники). Это не значит, что вы не можете это исправить, просто вам придется заменить много компонентов: если вы найдете только один неисправный, вы должны проверить еще раз. К сожалению, некоторые предохранители заполнены песком, и вы не можете увидеть, что произошло.
Нет выхода, хороший предохранитель
SMPS может выйти из строя по разным причинам, наиболее распространенным из которых является полное отсутствие выходной мощности. В этом случае я начинаю с проверки входного предохранителя. Если предохранитель исправен, но выхода нет, вероятно, все полупроводники в порядке, и это можно легко исправить. Имейте в виду, что обычно полупроводники замыкаются, а резисторы (а часто и конденсаторы) размыкаются.
Хорошим кандидатом является ограничитель пускового тока (NTC). Затем я проверяю резисторы большой мощности, особенно на первичной стороне: я измеряю их сопротивление один за другим в цепи. Если значение не соответствует тому, что написано (или обозначено цветом) на компоненте, я отпаиваю одну клемму и измеряю снова: если значение неверное, я заменяю ее новой.
В первую очередь нужно проверить резисторы, включенные последовательно с силовыми транзисторами, обычно менее одного Ома. Иногда регулятор питается от резистора большой мощности, последовательно соединенного с стабилитроном: если резистор исправен, возможно, стабилитрон закорочен, поэтому я проверяю все диодные переходы с помощью диодной функции мультиметра (в большинстве случаев вы можете сделать это в схеме). Затем я проверяю конденсаторы (см. ниже). Неисправные регуляторы IC могут случиться, но это не очень часто.
Нет выхода, перегорел предохранитель
С другой стороны, если предохранитель перегорел, значит, что-то действительно пошло не так в цепи. Пока не заменяйте предохранитель, он просто снова перегорит: где-то есть короткое замыкание, которое вы должны сначала устранить. Типичными проблемами являются вздутие силовых транзисторов или диодов выпрямителя, особенно на первичной стороне. Просто используйте диодную функцию мультиметра и проверьте соединения: короткие замыкания легко обнаружить. Одновременно могут выйти из строя несколько компонентов, и если вы не замените их все, они могут снова перегореть, поэтому будьте осторожны. Затем я также проверяю неисправные резисторы, как указано выше, и неисправные конденсаторы (см. ниже).
Если силовой транзистор (или один из них) вышел из строя, есть вероятность, что многие другие компоненты тоже вышли из строя. Часто SMPS включают компоненты защиты, такие как дополнительный резистор или диоды Зенера, чтобы уменьшить ущерб в случае отказа, но не всегда. Прежде чем идти далеко в замене, убедитесь, что вы проверили все детали. Например, проверьте, работает ли еще микросхема контроллера. Неплохой идеей будет включить его в автономном режиме с помощью небольшого внешнего источника постоянного тока и проверить наличие импульсов на базе транзистора (или затворе). Но некоторые микросхемы не будут работать, если нет высокого напряжения для переключения: сначала проверьте техническое описание. Если слишком много компонентов вышли из строя, вероятно, проще заменить весь SMPS.
При замене полупроводников я сначала стараюсь использовать точно такую же деталь. Если он недоступен (или слишком дорог), я ищу альтернативы. Разумеется, новый полупроводник должен иметь как минимум такие же характеристики по напряжению, току и мощности или даже лучше. Для диодов также проверьте время переключения: вам нужен диод, который по крайней мере такой же быстрый, как старый, или быстрее. Для транзистора проверьте коэффициент усиления и частоту среза: вам нужен аналогичный коэффициент усиления (не слишком низкий и не слишком высокий) и частота среза как минимум в десять раз выше частоты переключения. Для полевых МОП-транзисторов проверьте емкость затвора, которая не должна превышать емкость старого компонента, и пороговое напряжение затвора, которое должно быть таким же, как у старого устройства.
После замены неисправных компонентов рекомендуется использовать трюк с лампочкой (см. ниже) для самого первого теста при включении: это ограничит ущерб, если проблема не будет устранена полностью.
SMPS частично работает
Иногда SMPS работает только частично: он может запускаться на долю секунды, а затем выключаться, или он может пульсировать, пытаясь запуститься каждые несколько секунд и выключаясь через долю секунды, или он может производить неправильное выходное напряжение. Здесь, наверное, все силовые полупроводники хороши, поэтому первым делом нужно проверить конденсаторы (см. ниже).
Возможно, что-то не так с цепью обратной связи: хороший прием — подать внешнее регулируемое постоянное напряжение на выход SMPS (SMPS не подключен к сети). При постепенном увеличении напряжения постоянного тока вы должны увидеть, как работает схема обратной связи, когда вы пересекаете пороговое значение, близкое к номинальному выходному напряжению. Поскольку при выполнении этого теста не используются опасные напряжения, вы можете легко использовать осциллограф для диагностики цепи обратной связи. Вам также может понадобиться подать на микросхему контроллера (на первичной стороне) тот же источник низкого напряжения, чтобы увидеть, что происходит на другой стороне оптопары.
ИИП питается от внешнего лабораторного источника постоянного тока для проверки цепи обратной связи.
Проверка конденсатора
Электролитические конденсаторы очень часто являются причиной проблем SMPS. В дешевых конструкциях, где тепловыделение слишком близко к пределу, а выбор компонентов слишком ориентирован на стоимость, электролитические конденсаторы представляют собой настоящие бомбы замедленного действия, которые в конечном итоге выходят из строя (иногда буквально взрываясь). Жидкий электролит внутри этих компонентов имеет тенденцию испаряться и высыхать, полностью изменяя характеристики.
Два синих электролитических конденсатора на этой картинке — конденсаторы фильтра низкого напряжения. Эти в хорошей форме.
Большой коричневый электролитический конденсатор на этом снимке — конденсатор фильтра высокого напряжения. Этот в хорошей форме.
Когда электролитические конденсаторы взрываются, они выбрасывают едкие (и плохо пахнущие) частицы. Взорванные компоненты легко обнаружить, но прежде чем двигаться дальше, следует проверить состояние остальной части цепи: если ее нельзя очистить или она уже слишком проржавела, лучше всего заменить весь ИИП, поскольку проржавевшие компоненты или медь Дорожки печатной платы в конечном итоге выйдут из строя.
К счастью, только очень немногие электролитические конденсаторы взрываются, большинство из них просто бесшумно выходят из строя. Посмотрите на все конденсаторы, их форму и их соседство. Если они больше не цилиндрические, «надутые», имеют куполообразную верхнюю или нижнюю сторону (вместо плоской) или протекают, значит, они неисправны. Не утруждайте себя их измерением: если они визуально плохие, значит, они неисправны на 100 % и нуждаются в замене.
Но некоторые электролитические конденсаторы могут быть плохими, но при этом выглядеть прилично. Единственный способ найти неисправные — это измерить их. Простое измерение емкости может помочь, но этого недостаточно. Гораздо лучше измерить эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и сравнить его с сопротивлением заведомо исправного конденсатора. Плохая новость заключается в том, что вам нужен измеритель ESR (или мост RLC); хорошая новость заключается в том, что в большинстве случаев он работает в схеме без удаления конденсаторов (если только у вас не подключено несколько конденсаторов параллельно).
Для замены используйте только новые конденсаторы. Выбирайте хорошую марку и имейте в виду, что хорошие конденсаторы стоят дорого, но починить SMPS достаточно сложно и полностью оправдывает дополнительные затраты. Электролитические конденсаторы бывают двух видов: 85°C и 105°C. Я всегда выбираю более высокую температуру, потому что они сохраняются дольше.
Трюк с лампочкой
После замены всех неисправных деталей все еще существует разумный риск их повторного перегорания, особенно если изначально был перегоревший предохранитель. Итак, для первого теста я заменяю предохранитель на лампочку мощностью 100 Вт или около того (или ставлю лампочку последовательно с сетью). Примерно такая же мощность лампы накаливания ИППС является хорошей отправной точкой, но это совсем не критично.Это ограничивает мощность в случае, если короткое замыкание еще не устранено, предотвращает более катастрофические сбои и не заставляет меня нервничать при замене предохранителей снова и снова. Также рекомендуется носить защитные очки.
Поместите лампочку последовательно с сетью переменного тока, чтобы предотвратить повреждение при первом включении SMPS.
При включении питания (без нагрузки) лампочка мигает на долю секунды, а затем гаснет (или слегка светится). Если короткое замыкание все же произошло, лампочка будет светиться ярко и ровно: просто быстро выключите питание, разрядите все конденсаторы и снова начните искать проблему.
Посмотрите фильм, показывающий этот трюк на исправном SMPS: lightbulb-trick-video.mp4 (3 215 292 байт, 4 с, H264, 854 x 480, 24 кадра в секунду).
В приведенном выше видео, чтобы заставить лампочку светиться с помощью этого маломощного SMPS, использовалась лампочка мощностью 15 Вт, поскольку лампочка мощностью 100 Вт вообще не светилась. Лампа изначально выключена; вспышка происходит из-за пускового тока при включении ИИП (зарядка высоковольтного конденсатора фильтра), затем яркость падает, показывая малый ток. Конечно, если вы нагрузите выход, лампочка будет светиться ярче.
Заключение
Было объяснено несколько идей по устранению неисправностей SMPS, но не в качестве исчерпывающего руководства по устранению неполадок, а скорее как набор приемов, которые могут оказаться полезными. Я попытался обобщить то, как я обычно поступаю, и поделиться своим опытом; у других людей вполне может быть другой подход. Поскольку SMPS может выйти из строя по разным причинам, вы все еще можете не найти на этой странице нужной подсказки, но я искренне надеюсь, что вы найдете здесь полезную информацию и что ваш SMPS скоро вернется в строй.
Для проверки функциональных возможностей продукта и конструктивных параметров цепи питания требуются сложные методы тестирования и электронное испытательное оборудование. Необходимо лучше узнать о требованиях к тестированию SMPS, чтобы соответствовать стандартам на продукцию. В этой статье мы узнаем, как тестировать цепь SMPS, и поговорим о некоторых из самых основных тестов для SMPS и нормах безопасности, которые необходимо соблюдать, чтобы легко и эффективно протестировать цепь SMPS. Следующее исследование дает вам представление о самых основных архитектурах блоков питания и процессе их тестирования.
Если вы являетесь инженером-конструктором SMPS, вы также можете ознакомиться со статьей о советах по проектированию печатных плат SMPS и методах снижения электромагнитных помех SMPS, которые мы обсуждали ранее.
Основы тестирования SMPS — что нужно помнить
Схемы импульсных источников питания (SMPS) обычно переключают постоянный ток очень высокого напряжения с автоматически регулируемым рабочим циклом, чтобы регулировать выходную мощность с высокой эффективностью. Но это создает проблемы безопасности, которые могут нанести вред устройству, если о них не позаботятся.
На приведенной выше схеме показан блок питания с питанием от сети, в котором используется топология обратного хода для преобразования постоянного тока высокого напряжения в постоянный ток низкого напряжения. Схема была сделана для четкого понимания стороны высокого и низкого напряжения. На стороне высокого напряжения у нас есть предохранитель в качестве защитного устройства, затем напряжение сети выпрямляется и фильтруется диодами входного выпрямителя D1, D2, D3, D4 и конденсатором C2, это означает, что уровень напряжения между этими линиями может достигать более 350 В или более в данный момент времени. Инженеры и техники должны быть очень осторожны при работе с такими потенциально смертельными уровнями напряжения.
Еще одна вещь, с которой следует быть очень осторожным, — это фильтрующий конденсатор C2, так как он долго держит заряд, даже когда блок питания отключен от сети. Прежде чем мы приступим к тестированию цепи SMPS, этот конденсатор необходимо правильно разрядить.
Переключающий транзистор T2 является основным переключающим транзистором, а T1 — вспомогательным переключающим транзистором. Так как главный переключающий транзистор отвечает за управление главным трансформатором, он, скорее всего, сильно нагреется, а поскольку он поставляется в корпусе TO-220, есть вероятность, что на приемнике удара будет высокое напряжение. Оператор-испытатель должен быть особенно осторожен в этом разделе.Одним из наиболее важных параметров, на который следует обратить внимание, является сечение трансформатора. На схеме он обозначен как Т1, трансформатор Т1 совместно с оптопарой ОК1 обеспечивает изоляцию от первичной стороны. В тестовой ситуации, когда вторичная секция подключена к заземлению, а первичная секция плавает. Ситуация с подключением контрольно-измерительного прибора в первичной части вызовет короткое замыкание на землю, что может привести к необратимому повреждению контрольно-измерительного прибора. Помимо этого, обычному обратноходовому преобразователю для правильной работы требуется минимальная нагрузка, в противном случае выходное напряжение не может регулироваться должным образом.
Тесты блока питания
Источники питания используются в различных продуктах. В результате производительность теста должна быть разной в зависимости от приложения. Например, тестовая установка в конструкторской лаборатории выполняется для проверки проектных параметров. Эти тесты требуют высокопроизводительного испытательного оборудования с надлежащей средой управления. Напротив, при тестировании блоков питания в производственных условиях основное внимание уделяется общему функционированию на основе спецификаций, определенных на этапе проектирования продукта.
Загрузить временное время восстановления:
Источник питания постоянного напряжения имеет встроенную петлю обратной связи, которая постоянно отслеживает и стабилизирует выходное напряжение, соответствующим образом изменяя рабочий цикл. Если задержка между обратной связью и схемой управления приближается к критическому значению в кроссовере с единичным усилением, источник питания становится нестабильным и начинает колебаться. Эта временная задержка измеряется как угловая разность и определяется как степень фазового сдвига. В типичном источнике питания это значение составляет 180 градусов фазового сдвига между входом и выходом.
Тест регулирования нагрузки:
Регулировка нагрузки – это статический параметр, с помощью которого мы проверяем выходной предел источника питания на предмет внезапного изменения тока нагрузки. В источнике постоянного напряжения контрольным параметром является постоянный ток. В то время как в источнике постоянного тока это постоянное напряжение. Тестируя эти параметры, мы можем определить способность блока питания выдерживать быстрые изменения нагрузки.
Текущий предельный тест:
В типичном блоке питания с ограничением по току тест проводится для наблюдения за возможностями ограничения тока блока питания с постоянным напряжением. Фактическое ограничение тока может быть фиксированным или переменным в зависимости от типа и требований к источнику питания.
Тест пульсаций и шума:
Обычно источник питания хорошего качества или многие высококачественные блоки питания аудиокласса тестируются для измерения пульсаций и шума на выходе. Наиболее распространенное название этого теста известно как PARD (периодическое и случайное отклонение). В этом тесте мы постоянно измеряем периодическое и случайное отклонение выходного напряжения в ограниченной полосе пропускания вместе с другими параметрами, такими как входное напряжение, входной ток, частота переключения и ток нагрузки. Проще говоря, мы можем сказать, что с помощью этого процесса мы измеряем шум и пульсации, связанные с переменным током, после стадии выпрямления и фильтрации на выходе.
Тест эффективности:
КПД источника питания – это просто отношение его общей выходной мощности к общей входной мощности. Выходная мощность — это постоянный ток, а входная мощность — переменный ток, поэтому для достижения этого нам необходимо получить истинное среднеквадратичное значение входной мощности. Можно использовать ваттметр хорошего качества с истинными среднеквадратичными возможностями. Выполняя этот тест, тестер может понять общие параметры конструкции источника питания, если измеренная эффективность выходит за рамки выбранной топологии, тогда это явный признак плохого проблема с блоком питания или неисправными деталями.
Тест задержки запуска:
Задержка запуска источника питания — это время, необходимое для стабильной работы источника питания. Для импульсного источника питания это время очень важно для правильной последовательности выходного напряжения. Этот параметр также играет важную роль, когда речь идет о питании чувствительного электронного оборудования и датчиков. Если этот параметр не обрабатывается должным образом, это приводит к образованию всплесков, которые могут вывести из строя переключающие транзисторы или даже подключенную выходную нагрузку. Эту проблему можно легко решить, добавив схему «мягкого пуска» для ограничения начального тока переключающего транзистора.
Отключение при перенапряжении:
Обычно хороший блок питания предназначен для отключения, если выходное напряжение блока питания превышает определенный пороговый уровень, в противном случае это может быть вредно для устройства под нагрузкой.
Типичная установка для тестирования SMPS
Установив все необходимые параметры, мы можем, наконец, перейти к тестированию схемы SMPS. Хороший испытательный стенд SMPS должен иметь общедоступное оборудование для тестирования и безопасности, которое сводит к минимуму проблемы безопасности.
Изолирующий трансформатор:
Развязывающий трансформатор предназначен для электрической изоляции первичной части цепи SMPS. При изоляции мы можем напрямую подключить любой заземляющий зонд, отключив высоковольтную сторону источника питания. Это исключает возможность короткого замыкания непосредственно на землю.
Автотрансформатор:
Автотрансформатор можно использовать для медленного увеличения входного напряжения схемы SMPS, делая это при контроле тока, чтобы предотвратить катастрофический отказ. В другой ситуации его можно использовать для моделирования ситуаций низкого и высокого напряжения, таким образом, мы можем моделировать ситуации, когда линейное напряжение резко меняется, это поможет нам понять поведение SMPS в этих условиях. В общем, универсальный номинальный источник питания в диапазоне от 85 В до 240 В можно протестировать с помощью автотрансформатора, мы можем очень легко проверить выходную характеристику схемы SMPS.
Лампочка серии:
Лампочка, включенная последовательно, является хорошей практикой, когда дело доходит до тестирования цепи SMPS, определенный отказ компонента может привести к взрыву МОП-транзисторов. Если вы думаете о взрывающемся МОП-транзисторе, вы не ошиблись! МОП-транзистор взрывается в сильноточных источниках питания. Таким образом, последовательно включенная лампа накаливания может предотвратить взрыв полевого МОП-транзистора.
Электронная нагрузка:
Для проверки производительности любой схемы SMPS необходима нагрузка, а использование мощного резистора, безусловно, является самым простым способом проверки определенной нагрузочной способности. Но почти невозможно протестировать секцию выходного фильтра без переменной нагрузки, поэтому становится необходимой электронная нагрузка, поскольку мы можем легко измерить выходной шум при различных условиях нагрузки, линейно изменяя нагрузку.
Вы также можете создать собственную регулируемую электронную нагрузку с помощью Arduino, которую можно использовать для тестирования импульсных источников питания малой мощности. С помощью электронной нагрузки мы можем легко измерить производительность выходного фильтра, и это необходимо, потому что плохо спроектированный выходной фильтр при определенных условиях нагрузки может соединить гармоники и шум на выходе, что очень плохо для чувствительных электроника.
Тестирование SMPS с помощью высоковольтного дифференциального датчика
Хотя измерение напряжения можно легко выполнить с помощью изолирующего трансформатора, для измерения высокого напряжения лучше использовать дифференциальный пробник. Дифференциальные пробники имеют два входа и измеряют разницу напряжения между входами. Это достигается за счет вычитания напряжения на одном входе из другого без вмешательства заземляющих шин.
Эти типы пробников имеют высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), который улучшает динамический диапазон пробника. В стандартной схеме SMPS первичная сторона переключается с очень высоким напряжением переключения 340 В и относительно коротким временем переключения. Что в случае генерирует шум, в этих ситуациях, если мы попытаемся измерить входной сигнал в затворе MOSFET, мы будем стробировать высокий шум, а не входной сигнал переключения. Эту проблему можно легко устранить, используя высоковольтный дифференциальный пробник с высоким CMRR, который подавляет мешающие сигналы.
Заключение
Проектирование и тестирование слаборазвитого источника питания может создать проблемы с безопасностью. Однако, как показано в статье, обычная практика и испытательное оборудование, безусловно, могут значительно снизить риск.
Надеюсь, вам понравилась статья и вы узнали что-то полезное. Если у вас есть какие-либо вопросы, вы можете оставить их в разделе комментариев ниже или использовать наши форумы, чтобы опубликовать другие технические вопросы.
Читайте также: