ARROW750立式加工中心开关电源的研究
发布时间：2010-6-18 17:08
发布者：zealot
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1 引言 采用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路叫做开关变换器电路，变换时采用自动控制的闭环电路稳定输出并具有保护环节的则称之为开关电源(SwitchingPower Supply)。开关电源的主要组成部分是DC-DC变换器，它是转换的核心，并涉及频率变换。由于开关电源在较宽的输入电源电压范围内稳定输出并具有较高的转换效率，因此在工业设备，特别是数控机床上常以独立的电源模块出现，为数控系统提供直流电源。然而，数控机床的开关电源一般都没有电路图及相关原理说明，损坏后购置备用板及委外维修不仅费用高，而且周期长，严重影响生产。本文以ARROW750立式加工中心开关电源为例，通过电路测绘，故障分析，对其开关电源进行了深入研究。 2 整流部分 开关电源电路原理图如图1所示。该电路首先对输入的单相交流电进行滤波、整流。输入电压有220 V和110 V两种规格。通过开关K1选择转换。220 V时为单相桥式整流，110 V时为单相2倍压整流，这两种情况下均在电容C8、C9两端产生约300 V的直流电压为DC-DC变换器供电。
3 DC-DC变换主电路 DC-DC变换器采用半桥变压隔离式电路。开关元件三极管TR1、TR2(型号为C4056)在控制脉冲变压器T1的控制下交替导通和截止。当TRl导通、TR2截止时，电容C15(两端电压约150 V)经TR1的c-e极和主脉冲变压器T3原边线圈放电，在T3次边线圈上得到的同相脉冲电流经整流输出供给负载。当TR1截止、TR2导通时，电容C16经T3原边线圈和TR2的c-e极放电，在T3次边线圈上得到的反相脉冲电流经整流同样输出供给负载。电源在TR1导通时为C16补充能量，而在TR2导通时为C15补充能量，这样可以保证任何一只三极管导通时施加在T3原边线圈上的电压均是直流电压的一半。 脉宽控制电路输出的脉宽信号经T1施加到TR1、TR2的b-e结上，控制其导通、截止以及导通的时间，继而控制流入T3原边线圈的39 kHz固定频率交流脉冲的脉冲宽度。T3次边线圈的耦合电流经整流、滤波后输出稳定的直流电压供给负载。本系统的电源直流输出为+5 V／12 A、+12 V／4 A、±12V／1.5 A，总功率为150 W。 4 脉宽控制电路 脉宽控制电路的核心元件是CA3524E，其内部结构如图2所示，主要包括基准电压调整器、误差放大器、振荡器和比较器等。
直流电源VS从15引脚引入分成两路：一路施加到或非门；另一路施加到5 V基准调整器，产生+5 V的基准电压供内部电路工作，并通过16脚输出供外部电路工作。 误差放大器实际上是差分放大器。+5 V输出经R73、R37、R38等组成的取样电路，分压后接1引脚反相输入端。CA3524E输出的+5 V基准电压经R40、RV1、R41分压后接2引脚同相输入端。本电路未使用电流限制器和闭锁控制。误差放大器的输出可通过9引脚测得，如图3(a)所示。9引脚接电阻电容用于补偿系统的幅频、相频响应特性。 振荡器频率由6引脚的外接电阻RT和7引脚的外接电容CT决定，周期近似值TS=RT·CT。实测CT两端的波形为频率78 kHz、幅值0.6 V～3.7 V的锯齿波，如图3(a)所示。该锯齿波与比较器的同相端相连。
另外，振荡器还输出一组宽度介于0.5μs和5μs之间、幅值为4 V的触发脉冲，由3引脚测量其脉宽实际为0.75μs，如图3(b)所示。此脉冲有两个作用：一是控制死区时间，触发脉冲直接送到两输出级的或非门作为封闭脉冲，以保证两组三极管输出不可能同时导通：二是作为双稳态触发器的触发脉冲，控制两输出通道的开关。当触发器触发脉冲的宽度小于0.5μs时，可在3引脚与地间接一只100 pF～1000 pF的电容，扩展输出脉冲的宽度。 接比较器反相端的误差放大器输出电压与CT上的锯齿波电压在比较器中进行比较，比较器将输出一个高电平、低电平或脉冲信号。 比较器输出信号与振荡器、双稳态触发器的输出脉冲一起经或非门输出控制三极管A和B，使其集电极(12、13引脚)问输出一个相位差为180°、脉宽可调的交流脉冲信号，其幅值为0.2 V～2.2 V，如图3(c)、(d)所示。两集电极的脉冲差信号经。TR3、TR4放大后并经T1耦合至TRl、TR2的b-e结。控制TRl、TR2的通断，如图3(e)所示。 当输出电压升高时，取样电压增加，误差放大器输出端(即CA3524E的9引脚)电位下降。如图3(a)u9所指虚线，12、13引脚间的脉冲信号沿箭头方向移动，使图3(e)中的脉宽变窄，导致T3输出电压跌落；反之，则使T3输出电压上升。由于构成了闭环控制，所以该电路具有自动稳压作用。 5 自启动及监测保护电路 5.1 自启动 在控制电路电压建立之前的通电初期(即T1⑦⑧原边线圈中没有电流，相当于开路)，随着300 V直流电压的建立，流经R91、R89、C10、D2、T1③②和R92、R90、C11、D5、T1④①的电流在TR1、TR2的b-e结上形成0.6 V左右的电压，TR1、TR2处于截止一放大的临界区。若TR1先导通放大，参照图1中T1的同名端，有以下过程：
这时，TRl由于正反馈而快速饱和，TR2则由于负反馈导致b-e结承受反压而迅速截止。随着TR1的饱和，△u②⑥↓，此时紧接着又出现以下过程：
若TR2先导通，则与TR1先导通的过程类似。TRl、TR2交替导通，流入T1、T3的是交流电流，这个过程为自启动过程。 T3次级一组线圈上的感生电流经D42、D43全波整流，再经D9在C35上建立控制电路的电源电压。当控制电源电压建立时，CA3524E则会在12、13引脚输出脉宽调节控制信号，经TR3、TR4放大后接管对T1及开关管的控制。至此，自启动结束并转入PWM自动控制。 5.2 监测保护电路 (1) 大功率开关管的保护 THT热敏电阻粘贴在TRl、TR2共用的散热片上。当超负荷及散热不良等原因导致散热片温度升至温度上限时，热敏电阻阻值剧增，使SCR1可控硅因控制极电平升高而触发导通，并将T1⑦⑧两端都箝位于低电位(相当于T1⑦⑧线圈被短路)，使主电路停振，实现对TR1、TR2的过热保护。 若TRl、TR2短路，5 A的FS1保险也可以起熔断保护作用。 (2) 过流保护 无论T3原边或次边是否发生过电流，其过流情况均可分别由T2、T5和T6互感器感应出来。其感应电流经整流后分别加到运算放大器IC3的2引脚、IC2的6引脚进行比较放大。这样产生的结果一是IC3的1引脚降为低电平，箝制IC1的9引脚为低电位，使IC1停振，IC1的12、13引脚无脉冲输出；二是IC2的7引脚降为低电平，TR6导通，SCR1触发导通，短路T1⑦⑧原边线圈，使主电路停振。这样就可起到过流保护作用。 (3) 过压保护 若因负载开路等故障引起输出电压突然增大时，该信号经R70、R71分压，使IC3的5引脚电平大于D35稳压管的稳压值(2.43 V)，则7引脚输出为高电平(3.7 V)，触发导通SCR1，使主电路停振，起到过压保护作用。 (4) 其他检测 端口28、30分别引出连接至其他电路。T3次边线圈的交流脉冲经D31整流与R61、R60分压后，与RV4的设定值进行比较。IC2的1引脚输出为高电平，导通TR7，使端口30输出为低电平。取样电压通过端口28输出。 6 维修实例 故障现象：接通110 V电源时，FS1的5 A保险即被烧断。可以判断为主电路短路。使用万用表检查，发现TRl、TR2均被击穿。更换1 A的保险管及代用的BUT11A三极管进行空载试验，T3发出"咝咝"声。用万用表测量，发现输出直流电压约为额定值的一半，据此判断TR1、TR2中存在单管导通的情况。断开T1的⑧引脚(即T1的⑦、⑧线圈开路，处于自启动状态)，"咝咝"声消失，在输入110VAC的情况下，测量+5 V和+12 V输出已分别达到+7.9 V和+18.7 V，且不可调，±12 V因稳压管而输出正常，T3的输出频率为55 kHz。仔细检查控制电路，发现TR3(型号BC337)已短路，更换后并接通T1的⑧引脚，电路输出恢复正常，T3的输出频率由自启动的55 kHz跌落至IC1输出的39 kHz固定频率。 7 结束语 开关电源研究的前提是测绘出正确的图形。本文分析了半桥变压隔离式DC-DC变换器的工作过程，着重研究了CA3524E的控制原理，对该电路的自启动过程进行了深入探讨并由此找出开关管单管导通的故障点，修复了电源。本文可以作为广大数控机床用户分析维修类似开关电源的参考。 |
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