· 其实，从广义上讲，变频调速控制器、直流电动机调速器、电焊机、电镀机等设备，均可列入电源设备，但上述设备已有专著介绍，本文仅就自动化控制中常用到的，但其电路资料相匮乏甚至为空白的DC24V仪用电源做出电路原理分析和故障检修指导。

仪用DC24V开关电源

仪用DC24V开关电源，是一个独立的电源产品，经常作为压力、温度传感器、旋转编码器等检测仪器的专用稳定直流电源。有众多厂商生产和经销该类产品，整机电路组装于一个易于安装和电磁屏蔽良好的金属壳体中，输入/输出端子便于进行线路的连接，故障率低，耐受较为恶劣的工业生环境。

· CL-A-35-24仪用DC24V开关电源，是额定功率为35W，输出额定(可调整)电压为DC24V的开关电源产品，稳压精度较高，对过载、短路故障有较好的保护功能。

· 开关电源电路，为直—交—直型的逆变电路，是一种电压和功率的变换器，将直流电压和功率转换为脉冲电压，再整流成为另一种直流电压。输入、输出电压由开关变压器相隔离，开关变压器起到功率传递、电压/电流变换的作用。本机电路中的开关变压器为降压变压器。整机电路由市电整流滤波电路、PWM脉冲生成电路、逆变功率开关电路和开关变压器二次整流电路、稳压控制和过载保护电路组成。具体电路构成见下图1。

· 1、电路构成和工作原理分析

· 电路以UC3842振荡芯片为核心，构成逆变、整流电路。UC3842一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，相关引脚功能及内部电路原理已有介绍，此处从略。AC220V电源经共模滤波器L1引入，能较好抑制从电网进入的和从电源本身向辐射的高频干扰，交流电压经桥式整流电路、电容C4滤波成为约280V的不稳定直流电压，作为由振荡芯片U1、开关管Q1、开关变压器T1及其它元件组成的逆变电路。逆变电路，可以分为四个电路部分讲解其电路工作原理。

· 图1 CL-A-35-24仪用DC24V开关电源

· 1)振荡回路：开关变压器的主绕组N1、Q1的漏--源极、R2(工作电流检测电阻)为电源工作电流的通路;本机启动电路与其它开关电源(启动电路由降压限流电阻组成)有所不同，启动电路由C5、D3、D4组成，提供一个“瞬态”的启动电流，二极管D2吸收反向电压，D3具有整流作用，保障加到U1的7脚的启动电流为正电流;电路起振后，由N2自供电绕组、D2、C5整流滤波电路，提供U1芯片的供电电压。这三个环节的正常运行，是电源能够振荡起来的先决条件。

· 当然，U1的4脚外接定时元件R48、C8和U1芯片本身，也构成了振荡回路的一部分。

· 电容式启动电路，当过载或短路故障发生时，电路能处于稳定的停振保护状态，不像电阻启动电路，会再现“打嗝”式间歇振荡现象。工作电流检测从电阻R2上取得，当故障状态引起工作过流异常增大时，U1的6脚输出PWM脉冲占空比减小，N1自供电绕组的感应电路也随之降低，当U1的7脚供电电压低于10V时，电路停振，负载电压为0，这是过流(过载或短路)引发U1内部欠电压保护电路动作导致的输出中止;工作电流异常增大时，R2上的电压降大于1V时，内部锁存器动作，电路停振，这是由过流引发U1内部过流保护动作导致输出中止。

· 2、稳压回路：开关变压器的N3绕组、D6、C13、C14等元件组成的24V电源，基准电压源TL1、光耦合器U2等元件构成了稳压控制回路。U1芯片和1、2脚外围元件R7、C12，也是稳压回路的一部分。实际上，TL1、U1组成了(相对于U1内部电压误差放大器)外部误差放大器，将输出24V的电压变化反馈回U1的反馈电压信号输入端。当24V输出电压上升时，U1的2脚电压上升，1脚电压下降，输出PWM脉冲占空比下降，输出电路回落。当输出电压异常上升时，U1的1脚下降为1V时，内部保护电路动作，电路停振。

· 3、保护回路：U1芯片本身和3脚外围电路构成过流保护回路;N1绕组上并联的D1、R1、C9元件构成了开关管的反向电压吸收保护电路，以提供Q1截止时的反向电流通路，保障Q1的工作安全;实质上稳压回路的电压反馈信号，也可看作是一路电压保护信号——当反馈电压幅度达一定值时，电路实施停振保护动作;24V的输出端并联有由R18、ZD2、单向晶闸管SCR组成的过压保护电路，当稳压电路失常，引起输出电压异常上升时，稳压二极管ZD2的击穿为SCR提供触发电流，SCR的导通形成一个“短路电流”信号，强制U1内部保护电路产生过流保护动作，电路处于停振状态。

· 4、负载回路：N3次级绕组及后续整流滤波电路，即是电源输出电路，也可视为负载回路，如D6或C13、C14任一元件击穿或漏电故障发生，即形成同负载电路过载、短路一样的结果，引发电路处于停振状态。负载回路的异常，会牵涉到保护回路和稳压回路，使两个回路做出相应的保护和调整动作。但保护电路的内容并不仅是局限于保护电路本身，保护电路的起控往往是由于负载电路的异常所引起。

· 振荡芯片本身参与和构成了前三个回路，芯片损坏，三个回路都会一齐罢工。对三个或四个回路的检修，是在芯片本身正常的前提下进行的。另外，要像下象棋一样，用全局观念和系统思路来进行故障判断，透过现象看本质。如停振故障，也许并非由振荡回路元件损坏所引起，有可能是稳压回路故障或负载回路异常，导致了芯片内部保护电路起控，而停止了PWM脉冲的输出。并不能将各个回路完全孤立起来进行检修，某一故障元件的出现很可能表现出“牵一发而全身动”的效果。

· 2、仪用DC24V开关电源的故障检修

· 开关电源电路常表现为以下两种典型故障现象(参照图1)：

· 此处的检修是指不连接负载的情况下，对仪用DC24V开关电源进行上电空载下的独立检修的。对确保人身安全，建议采用AC220V/220V隔离电源来检修，以便于带电测量。

· 1)测24V输出端子电压为0V。

· 细听有上电瞬间设备有“吱”声，测输出有电路跳变，随即输出电压变为0V。说明市电整流滤波电路、U1芯片的启动、振荡电路基本上正常的，电路具备起振工作条件，但因保护电路起控，引发电路停振，重点应检测负载回路、稳压回路和保护回路。如停电检测输出电路回路的D6、C13、C14、SCR等元件有无损坏;稳压回路的TL1、UR1等有无不良;自供电电源R9、D2、C5等元件有无不良;过电压吸收电路的R1、D1、C9等元件有无不良等。

· 上电瞬间设备无起振声间，测输出端一直为0V。测滤波电容C4两端有无280V直流电压，若无，应检测FU、RT及整流电路的好坏;若正常，应顺序检查开关管Q1的漏、源极电流回路和C5、D3启动回路，R9、D2、C5元件构成的自供电回路;U1外围振荡电路及U1元件本身是否不良。

· 2)、24V输出电压偏高或偏低。

· 输出电压采样电路中设有半可变电位器UR1，标注为“ADJ”，用于微调输出电压的高低。若输出电压偏离正常值不多，可通过调整UR1，使输出电压恢复正常值;输出电压严重偏高时，引发SCR受触发导通，电路停振，须检查稳压回路的故障。稍微偏高则可通过UR1来调整。此处故障检查的重点落在输出电压偏低上，应检查稳压回路和Q1工作电流回路的故障。

· 当基准电压源漏电或击穿时，导致电压反馈信号上升，输出PWM脉冲占空比减小，输出电压低落;电流采样电阻R2因引脚氧化或阻值变大时，也会产生输出电压过低的故障;当Q1开关管低效，即使稳压回路正常，也会导致开关变压器T1的储能减小，输出电压过低。这种故障一般较为少见。

· 〔故障实例1〕CL-A-35-24仪用DC24V开关电源，测输出为0V。检查开关管Q1及输出电路、稳压电路元件均损坏，上电细听无电路起振声音。测U1各脚电压为0V，怀疑启动电路不良。试在电容C5上并联0.22uF电容，上电试机，输出正常。摘下原电容，用电容表测其容量，仅为几千皮法。故障原因为C5失效后，不能提供振荡芯片U1(>1mA)的启动电流，使电路不能起振工作。

· 〔故障实例2〕CL-A-35-24仪用DC24V开关电源，运行中 突然损坏。拆开设备外壳，发现电容熔断器FU发黑烧断，电源开关管已经炸裂，电流采样电阻R2已经断路，Q1的栅极电阻R10也已经烧毁。根据经验，U1振荡芯片可能也受冲击同时损坏。检查其它元件没有损坏，更换上述损坏元件，上电试机，输出24V正常。

· 〔故障实例3〕CL-A-35-24仪用DC24V开关电源，无输出电压。上电细听有“吱”的一声，说明电路能起振工作，相关振荡电路及电源电路均正常。判断故障在稳压回路或输出回路。测输出回路的D6、C13、C14、SCR等元件均无异常，检测基准电压源器件TL1的1、2脚电阻值极小，拆下与好的器件对测量，证实TL1已经击穿损坏。TL1击穿损坏后，使光耦合器U2导通程度变深，U1的2脚输入反馈信号上升，1脚电压值低于1V，引发U1内容保护电路动作，电路停振。因启动电路中C5此时已充满电荷，故不会产生重新启动动作。但重新上电时，C5的充电电流又会产生U1的启动电流，使电路起振后再度停振。

开关电源的可靠性直接影响到电子产品系统的可靠性。文中从相关数控系统开关电源的各种保护电路着手，分析设计了数控开关电源的软启动电路， 过压保护、过流保护、欠压保护等电路的工作原理和具体设计方法， 解决了数控开关电源的工作可靠性问题， 为数控系统的批量生产提供了保障。精密机床数控系统使得加工零件的精度有了稳定的保证， 在目前机械加工中得到越来越广泛的应用。

引言

开关电源电路负责为整个机床数控系统各部分设备提供电源。本文主要介绍了一种机床数控系统用开关电源各种保护电路的工作原理和实现方法， 通过实际研制， 使得该系统开关电源稳定性大大提高， 保护功能稳定可靠， 满足了批量生产要求。

1 保护电路工作原理分析

机床数控用开关电源包含有软启动保护、过压保护、过流保护、欠压掉电保护等电路。

( 1) 软启动电路

由于开关电源输入整流电路后级大多采用电容性滤波电路滤波， 在电源合闸瞬间， 往往会产生电流幅值高达几十甚至几百安培的浪涌电流， 此种浪涌电流十分有害， 会造成开关电源启动故障甚至损坏。常用的软启动电路有可控硅和限流电阻组成的防浪涌软启动保护、继电器触点组成的软启动保护、负温度系数电阻组成的软启动保护电路等。

本系统开关电源采用负温度系数电阻组成的软启动保护电路， 简单实用， 工作可靠。如图1, 220 V 交流电经线圈L1滤波共模干扰后， 整流产生约三百伏左右直流电压， RT 电阻为负温度系数热敏电阻， 型号为M02-7Ω。当电源合闸瞬间， 浪涌电流使得热敏电阻发热， 阻值迅速减小， 输出直流电压逐渐建立， 可有效防止浪涌电流对电源电路的冲击， 使得整个电源半桥变换电路稳定可靠。

图1 负温度系数电阻组成的输入软启动电路

在开关电源启动时， 由于脉宽调制器尚未建立稳定的驱动脉冲， 需采取措施使得驱动脉冲逐渐建立起来， 该开关电源脉宽调制器采用性价比较高的脉宽调制器T L494。如图2, TL494 的第四脚为死区控制， 它既可以为变换功率管提供安全的死区时间控制， 也可以作为驱动芯片的软启动控制。开机瞬间， 电容器C1上未建立电压， + 5 V 通过电容C1 送TL494: 4 脚， 封锁脉宽调制器的输出脉冲。随着电容C1 两端电压逐渐升高， T L494: 4 脚电压逐渐下降， 驱动脉冲宽度逐渐展宽。当辅助电源+ 15 V 出现故障时， 三级管V1迅速导通， + 5 V 电压经三极管V1 送T L494: 4 脚， 切断驱动脉冲， 使开关电源停止工作而不致损坏。

图2 利用TL494:4 脚进行驱动软启动及电源保护

众所周知：现代开关电源技术的发展正以空前的规模改造着传统的旧式电气设备，广泛进入了国民经济和人类生活的各个领域。它具有功率密度大、体积小、重量轻、高效率、高可靠性和低噪声，低污染的优良品质，极大地节约了电能、降低了材耗与成本，明显地减少了电磁干扰。正如现时在我们日常生活中流行的“变频空调”、“节源40%以上的冰箱”、及工业常见的“弧焊、电解、加热、充电、超声、电机调速”等等高技术附加值产品，正就是使用了高频开关电源技术的结果!

我们现在来回顾一下：我们现代的高频大功率开关稳压电源技术，其实是一项知识面宽、跨度大、难度大、又极具风险的复杂技术，它能把电网提供的强电和粗电，变换成各种电气设备和仪器所需要的高稳定度精电和细电，即提供不同规格的电压和电流值，它是现代电子设备中重要的中央供电系统。有统计称：在电气设备中的常见故障有近一半出在电源问题上，我想这一点都不为过。因为现代高频开关电源所涉及的内容横跨了多个学科，大概如微电子精细加工的智能化控制芯片系统，和日益更新的高性能功率电力器件及高频变压器磁性材料，非晶和微晶等等领域，正是如此，也就足以证明了这项技术的高科技含量的价值，是一般企业可望而不可及的。由于时间关系，在此也就不多作展开阐述了。

我现在所讲的专业功放开关电源：就是在现代高频开关稳压电源的基础上解除了其大环路反馈，消除了其因稳压需要而调整开关脉宽而造成开关转换速率突降而形成对功放大动态瞬间输出供电电力不足矛盾的一种新型电源。它就是一种全新开发的无反馈、无稳压、有良好浮动负载驱动能力的专利技术FPA品牌专业功放专用开关电源，也就是我今天所讲的主题。

FPA专业功放专用配套“高频开关电源”除具有以上优点外，更具特有的软接通软关断及交流功率因素校正(PFC)电路单元，绝对杜绝了开关机对电网的冲击和污染，使交流电源的利用率提高40%以上。对过欠压、过载、短路等完善的保护电路措施也是此电源的又一亮点。此外，还采用了智能压限电路，保证该机在不同负载(1Ω-16Ω)不同功率下均彻底消灭了削波失真。还有，该机的负载范围宽，在2Ω负载下仍能长期稳定地工作，因而适应能力更广。它也具有桥接功能，先进的温控系统;更值得一提的是，它还有对整机输入信号的灵敏度有自动适应能力(0dB～+20dB)，对各种音源的适应能力更强大。此电源的最大输出功率在4000-5000W间，目前电源产品输出最高直流电压为：±75V、±150V、单边电流30A，完全满足二阶H类专业功放的供电，此电源对应功放输出有：8Ω/85V即950W连续有效功率，4Ω/70V即1200W连续有效功率，此功放对应公司型号为FPA品牌CE1200，重量仅是传统的1/4、2U机箱。由于应用了开关电源的专业功放体现众多优点，它代表专业功放的发展方向，是当前专业功放又一佳作。