地震臺站儀器設(shè)備開關(guān)電源的維修

楊世英，孟彩菊，靳玉貞，何 佳，任瑞國

(1.山西省地震局太原基準地震臺，山西 太原 030025；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

目前在臺站運行著大量的辦公設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及各種觀測儀器，保障這些儀器設(shè)備的正常運行是臺站的一項重要工作。目前，已建立了以片區(qū)為中心的運行維護機制保障臺網(wǎng)正常運行。在臺站各類儀器設(shè)備故障中，電源故障占有一定的比例。電源故障維修不需要高級儀表和工具，維修資料易收集，技術(shù)易掌握，所需元器件易獲取，適合在臺站開展。

1 地震臺站常見的開關(guān)電源

電源是一切電子設(shè)備的心臟，是指能向儀器設(shè)備提供功率輸出的裝置。現(xiàn)在的儀器設(shè)備電源基本采用開關(guān)電源，其優(yōu)點是功耗小、轉(zhuǎn)換效率高，采用輕巧的高頻變壓器減少體積與重量，電路形式靈活多樣，對電網(wǎng)電壓要求不高；缺點是控制電路相對復(fù)雜、輸出電壓中紋波和噪聲成分較大。地震臺站儀器設(shè)備中常見的是直流穩(wěn)壓開關(guān)電源，在地電阻率等觀測儀器中也采用了恒流電源向電極供電。

一般計算機采用固定尺寸與規(guī)格及接口的開關(guān)電源，高端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用鐵殼電源模塊，低端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用單電壓開關(guān)電源板，便攜式設(shè)備或小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如光纖收發(fā)器等多采用外置電源適配器。觀測儀器內(nèi)部的電源各異，多采用一個鐵殼的開關(guān)電源，再設(shè)置一兩塊電源板，或使用外圍元件較少的三端式穩(wěn)壓集成電路或DC/DC模塊進一步提供各種輸出電壓。

2 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)及識圖

開關(guān)電源按電路結(jié)構(gòu)可分為分立式和集成式；按開關(guān)控制器件的連接方式可分為串聯(lián)型與并聯(lián)型；按激勵脈沖產(chǎn)生方式分為自激式與他激式；按穩(wěn)壓控制方式分脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)、脈沖密度調(diào)制(PDM)和混合調(diào)制式，以上4種統(tǒng)稱為“時間比率控制”(TRC)，其中以PWM應(yīng)用最廣；按功率開關(guān)管的類型可分為：晶體管型開關(guān)電源(GTR)、晶閘管型開關(guān)電源、MOSFET型開關(guān)電源和IGBT型開關(guān)電源[1]。

現(xiàn)在常見的集成式芯片開關(guān)電源通過互聯(lián)網(wǎng)搜索芯片型號容易獲得芯片datasheet及典型應(yīng)用電路圖，實際使用中多采用稍加改動的公版設(shè)計電路。一個典型的PWM型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如第10頁圖1所示，大致由四部分組成。即使在沒有電路圖的情況下，開關(guān)電源電路中的主要元器件也易于識別。按功能可分為幾個區(qū)域，由4個整流二極管或整流橋模塊及較大體積的濾波電容以及外圍元件(如防雷元件、互感濾波器、熔斷器等)組成“輸入整流濾波器”部分；由安裝散熱器的開關(guān)管及體積相對較大的開關(guān)變壓器及外圍電路組成“功率開關(guān)管及高頻變壓器”部分，也有部分將開關(guān)場效應(yīng)晶體管集成在開關(guān)集成電路中的；由開關(guān)變壓器次級輸出電路中的整流二極管及體積中等的濾波電解電容、電感等組成“輸出整流濾波器”，由集成電路及外圍電路組成“PWM控制器”部分。一般由4腳的扁平封閉光電耦合器將輸出電壓誤差信號反饋到開關(guān)集成電路，形成一個反饋環(huán)路，通過對開關(guān)集成電路振蕩信號的控制實現(xiàn)穩(wěn)壓控制，組成一個自動控制環(huán)路。除以上主要部分，較高級的開關(guān)電源可能有浪涌控制、軟啟動、過失壓保護、過載保護等輔助功能電路部分[1]。

圖1 典型的PWM開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of typical PWM switching power supply

3 開關(guān)電源的維修方法

進行維修時應(yīng)采取一定的安全措施。如，采用隔離變壓器，工作臺和地面鋪設(shè)絕緣材料，通電檢測最好單手操作等。

維修開關(guān)電源時，可以先在斷電情況下觀察開關(guān)電源各元件有無異常現(xiàn)象，如保險管熔斷、電容鼓包或爆裂、電阻燒黑等現(xiàn)象，再用萬用表對可疑元件進行粗略的在路測量。了解常見元件損壞時的特點，將有助于在路測量時進行判斷。如一般電容器的損壞特點是容量變小、漏電或短路，電阻器的損壞特點是阻值變大或開路，整流二極管和開關(guān)管損壞特點是擊穿等。如不能確定，可將元件從印刷板上取下進行精確測量判斷。

如不能解決故障，則通電檢測。首先觀察有無“吱吱”聲，有無焦糊味及異常發(fā)熱現(xiàn)象；然后測量一些關(guān)鍵點的參數(shù)進行判斷，如輸入整流濾波器輸出應(yīng)為300 V左右，開關(guān)管基極或柵極應(yīng)有0.6 V左右的啟動電壓，測量集成塊各引腳對地電壓值等，通過這些參數(shù)的測量進一步判定故障區(qū)域。在日常工作中，要對常見的開關(guān)電源正常工作時各關(guān)鍵點參數(shù)有一定的了解，這將有助于快速判斷故障區(qū)域。對故障區(qū)域內(nèi)的所有元件進行分析與測量，最后找到故障元件并更換。

對于保險管熔斷或保護電路起作用而造成的故障，在更換保險管和斷開保護電路時需慎重，應(yīng)先找出熔斷或保護的原因，以免引起電路更大的損壞；對于斷開負載輸出電壓正常，接上負載輸出電壓下降或工作一段時間才發(fā)生的故障，可考慮開關(guān)管性能下降、高頻變壓器或濾波電容不良、散熱不良等原因。更換故障元器件應(yīng)盡量用同型號規(guī)格及封裝的元器件，在不易找到時，應(yīng)查閱元器件手冊，選擇合適參數(shù)的替代型號。焊接時，應(yīng)注意恢復(fù)原來的絕緣與散熱，焊接時間不宜過長，以免對元件造成損傷[2]。

觀測儀器中常見的三端式穩(wěn)壓集成電路和DC/DC模塊，其本質(zhì)也是封裝了的開關(guān)電源，損壞后一般只能更換。

4 結(jié)語

在以往的維修實踐中，經(jīng)修復(fù)的開關(guān)電源可繼續(xù)工作或作為備用件。在臺站開展開關(guān)電源維修，既可提高維護技能，又實現(xiàn)了物盡其用、經(jīng)濟環(huán)保，此維護經(jīng)驗、方法在其他地震臺可借鑒、推廣。