开关电源的工作原理和故障现象分析

引言：

随着电力系统稳定性、可靠性的不断发展，继电保护技术也取得了迅速发展，而开关电源犹如人体的心脏，是微机型继电保护装置的动力，是继电保护装置能够正常工作的基本保证。从现场继电保护装置发生故障的统计资料可以看出与开关电源性能不良有关的占了较大一部分。

本文从开关电源的原理入手，以测试的角度，对两种有故障的电源模块通过试验再现其故障现象，并分析了其故障原因，最后对改进后的开关电源进行了对比验证。

1 开关电源工作原理

用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一形态，用闭环控制稳定输出，并有保护环节的模块，叫做开关电源。

进入电源的高压交流电，先经滤波器滤波，再通过全桥整流电路，高压交流电由此正六位直流电：高压直流电经由开关电路被调制成高压脉动直流；再在高频开关变压器对得到的脉动直流电进行降压处理，最后通过低滤波电路的的整流和滤波就可获得与装置要求相符的低压直流电。电源工作原理框图如图1所示。

2 故障现象分析

因为用于继电保护的开关有较多的功能要求，要对时序、保护等因素进行考虑，所以开关电源设计中有较高的设计风险。除此，与民用电气相比供电保护装置的条件更为苛刻一些，继电保护开关电源安全运行会受一些影响。本文对因为设计中存在着两种缺陷而出现故障的开关电源进行了分析。

2．1输入电源波动，开关电源停止工作

2．1．1故障现象：外部输入电源瞬时性故障，随后输入电压恢复正常，开关电源停止工作一直无输出电压，需手动断电、上电才能恢复。

2．1．2故障再现：用继电保护试验仪，控制输入电压中断时间，通过便携式波形记录仪记录输入电压和输出电压的变化。控制输入电压中断时间长短，发现输出存在如下三种情况：

① 输入电源中断一段时间(约100～200ms)后恢复，此后输入电压恢复正常，开关电源不能恢复工作。(此过程为故障情况)，具体时序图见图2所示。

②输入电压长时中断(大于250ms)后恢复，+5V、+24V输出电压均消失，此过程与开关电源的正常启动过程相同。具体时序图见图3所示。

③ 输入电压短暂中断(小于70ms)后恢复，+5V输出电压未消失，而+24V输出电压也未消失，对开关电源正常工作没有影Ⅱ向。具体时序图见图4所示。输入电压消失时间短暂，由于输出电压未出现欠压过程，电源欠压保护也不会动作。

2．1．3故障分析：在对该故障进行分析之前，应对开关电源的正常启动逻辑和输出电压保护逻辑予以了解。输入工作电压，输出电压+5V主回路建立，然后由于输出电压时序要求，经延时约50ms，+24V输出电压建立。输出电压欠压保护逻辑为：当输出电压任何一路降到2O％乩以下时，欠压保护动作，且不能自恢复。更改逻辑前，因输入电压快速通断而引起的电源欠压保护误动作，其根本原因是延时电路没有依据输入电压的变化及时复位，使得上电时的假欠压信号得不到屏蔽，从而产生误动作，如图2所示。

2．1．4解决措施：采取的措施是在保护环节上增加输入电压检测电路，并在延时电容上并接一个电子开关，只要输入电压低于定值(开关电源停止工作前的值)，该电子开关便闭合，延时电路复位，若输入电压重新上升至该设定值，给保护电路供电的延时电路重新开始延时，电源重启动时的假欠压信号被屏蔽，彻底解决了由于输入电压快速波动所产生的电源误保护。从而避免了图2的情况，直接快速进入重新上电逻辑，此时的输出电压建立过程见图3所示。逻辑回路见图5所示。

2.2启动电流过大，导致供电电源过载告警

2.2．1故障现象：电源模块稳态工作电压为220V，额定功率为20．8W，额定输出时输入电流约为130mA。当开关电源输入电压缓慢增大时，导致输入电流激增，引起供电电源过载告警。

2．2.2故障分析：经查发现输入电压为60V时，电源启动，此时启动瞬态电流约为200mA，稳态电流为600mA，启动时稳态电流和瞬态电流将为600±200mA，造成输出电流激增。而由于条件限制，此电源模块的供电电源输出仅为500mA，因此造成供电电源过载。

由于开关电源工作需要一定的功率，设计中由于未考虑到电源启动时，输出回路的启动需要一定的功率，而启动电压比较低，所以功率的突增，必然带来开关电源启动瞬态电流的激增，电流的激增对供电电源有较大的冲击。

2．2．3解决措施：启动需要的功率一定，如果要减小启动电流，可以考虑增加启动电压的门槛。将开关电源的启动电压提高到130~140V。

2．2．4试验验证：调整开关电源的启动电压后，通过试验仪模拟输入电压缓慢启动。当开关电源在满载情况下，试验中缓慢上升输入电压(上升速率5V／s或10Ws)，从0～130V启动，启动时稳态电流降低到200～220mA，稳态电流大约为200±100mA，因而启动时稳态电流和瞬态电流将为400±100mA，启动电流较改进前减小300mA，不会对供电电源造成太大的冲击。可有效避免输入电压瞬间降低时，给整个供电回路造成较大的电流冲击。

3 结束语

从上文对各问题的分析可以看出，在设计开关电源时，电能变换的各个环节需特别留意，开关电源建立和消除输出电压的时序受电源保护功能影响和大，其中任一环节有缺陷，都会影响到开关电源的工作。所以应将以下两项工作做好以后再设计开关电源：

① 对于下面类似的问题进行考虑，如在一定的启动功率下，启动电压门槛太低，导致输出电流瞬态突增等。② 设计完成后，尽量按照继电保护所要求的开关电源标准执行，并由专业测试部门验证，进而将可靠的开关电源设计出来。