开关电源工作原理及故障现象的专业分析

随着电力系统稳定性、可靠性的持续提升，继电保护技术也得以迅猛发展。开关电源作为微机型继电保护装置的动力源，犹如人体的心脏，是继电保护装置正常运行的基本保障。从现场继电保护装置的故障统计数据来看，因开关电源性能不佳引发的故障占比较大一部分。

本文将从开关电源的原理出发，站在测试的视角，针对两种存在故障的电源模块，通过试验重现故障现象，并深入分析故障原因，最后对改进后的开关电源进行对比验证。

开关电源工作原理

开关电源是一种利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转换为另一种形态，采用闭环控制稳定输出，并具备保护环节的模块。

具体来说，进入电源的高压交流电，首先经过滤波器滤波，以去除杂波和干扰信号。接着，通过全桥整流电路，将高压交流电转换为高压直流电。随后，高压直流电经由开关电路被调制成高压脉动直流。之后，在高频开关变压器中对得到的脉动直流电进行降压处理。最后，通过低滤波电路的整流和滤波，便可获得与装置要求相匹配的低压直流电。电源工作原理框图如图 1 所示。

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。

输入电源波动，开关电源停止工作

1.故障现象：外部输入电源出现瞬时性故障，随后输入电压恢复正常，但开关电源却停止工作，无输出电压，需手动断电、上电才能恢复。

2.故障再现：利用继电保护试验仪控制输入电压中断时间，并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，发现输出存在以下三种情况：

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，+24V 输出电压也未消失，对开关电源正常工作无影响。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。

3.故障分析：在分析该故障前，需了解开关电源的正常启动逻辑和输出电压保护逻辑。输入工作电压后，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 20％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。

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。

启动电流过大，导致供电电源过载告警

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，输入电流会急剧增加，从而引发供电电源过载告警。

2.故障分析：经检查发现，当输入电压为 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为 600 ± 200mA，导致输出电流激增。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。开关电源工作需要一定的功率，而在设计过程中，未充分考虑到电源启动时，输出回路的启动需要一定的功率，且启动电压较低，所以功率的突增必然会导致开关电源启动瞬态电流的激增，这对供电电源会产生较大的冲击。

3.解决措施：由于启动所需功率固定，若要减小启动电流，可以考虑提高启动电压的门槛。将开关电源的启动电压提高到 130 - 140V。

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 10V/s），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。

结束语

通过上文对各个问题的分析可以看出，在设计开关电源时，必须特别关注电能变换的各个环节。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较大，其中任何一个环节存在缺陷，都会对开关电源的正常工作产生影响。因此，在设计开关电源之前，应做好以下两项工作：

①充分考虑类似问题，例如在一定的启动功率下，启动电压门槛过低会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，并由专业测试部门进行验证，从而设计出可靠的开关电源。