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tkstr 彩电开关电源fl 利用设计34″彩色电视机开关电源 摘要:介绍Sanken公司的混合型开关电源系列的原理和应用，作为实例，介绍了使用设计一个34″彩电用的开关电源，并 给出满意的实验结果。 1引言 混合型电源系列是日本Sanken电气公司的近年产品。它内含MOSFET及控制IC部分，是专门为反激型变换器设计的，特适用于彩色 电视机开关电源。 该混合IC可工作于准谐振方式以及脉冲占空比控制(PRC——PulseRatioControl)方式。它具有常规第二代SMPSIC的特点，即采用次级输出采样及 光耦反馈稳压、准谐振、高效率、宽输入范围、良好的输入电压调整率和负载输出特性，还有过流、过压及热保护等。相对于同类型的其它厂家IC，它 多了一个热保护以及开关电噪声较小，可简化或甚至取消浪涌吸收电路。 本文介绍该系列IC的工作原理，在此基础上描述怎样利用它设计制造一个34″彩色电视机开关电源。文中给出样机电源电路，变压器设计以及实 验结果。实验明，该电源完全符合电视机电气要求，它外围元件少，设计容易，稳定度高。在高温、低温、EMI、短路和开路等环境和安全实验中均符 合国家，是一个不可多得的简单和高效能的电视机实用开关电源。 2混合型开关电源控制器系列原理和特性简介 图1给出了系列的原理方框图。这是一个有一个引出脚的塑料封装IC，其每脚功能简述见表1。 表系列每脚功能 管脚 符号 说明 功能 输出过流检测信号和稳压控制信号 1 OCP/FB Overcurrent/Feedbackterminal MOSFET源极 2 S Sourceterminal MOSFET漏极 3 D Drainterminal 控制电路的电源输入端 4 VIN Supplyterminal 地 5 GND Groundterminal 起动电路 当AC电源在t0加入时，由图2可知，在半个周期内，A点对地峰值电压VA?Vd(整流电压)，VA经过R902向C909充电，使IC脚?上电压Vin 近似线性上升(见图3)。当Vin上升到阈值电压Vin(ON)=16V 图系列方框图 图2起动电路 图3起动时Vin端口电压的波形 时，IC内的控制电路开始起动，Vin端口上的输入电流Iin由100μA突升到30mA，电容C909来不及供电而使Vin下降。如果此时由驱动绕组D1所提 供的DC电压足够的话，Vin将不致于掉到仃振阈值11V以下，则IC继续工作起动成功。驱动绕组D1的圈数须保证经整流后在C909上电压超过11V，同 时又要低于20.5V。因为Vin大于20.5V则过压保护电路起作用，Vin小于10V时则欠压保护电路起作用。一般Vin取18V是较合适的。 关于R902及C909的选值要适当。R902、C909太大均会使IC起动时间延长。但C909亦不能过小，否则在驱动绕组电压到来之前它已不能 维持IC动作，这样就不能顺利起动。一般对宽电源(90,270)VAC电压C909取(47,100)μF，R902取47kΩ,68kΩ是合适的，对窄电源(200VAC)， R902可取82k,150k。在本例子中，当R902=82kΩ，C909=47μF，输入电压为90V时，其开机起动时间为1.3μs左右。 内部振荡器，稳压原理和过流保护 (1)内部振荡器 IC内部振荡器是通过对C1的充放电而形成振荡脉冲的，放电时间常数C1R1(?50μs)决定了MOSFET的关断时间。在PRC运用模式中，稳压是由固 定toff而变化ton来达到的。图4示出了当没有稳压控制信号输入时，内部振荡器的工作波形。由图5波形可见，当MOSFET导通时，电容C1被充电到 6.5V。同时漏极电流ID逐步上升，在R5上形成一锯齿形状电压VR5。VR5通过R4后几乎无损失地加到IC的?脚OCP/FB端口。当?脚电压V1达到阈值 Vth1?0.73V时，比较器1开始动作，它使振荡器输出反相，并通过驱动级将MOSFET关断。此后C1通过电阻R1放电，C1两端电压按恒定的放电时间常 数C1R1线性下降。当它降到3.7V左右时，振荡器输出再次反相，使MOSFET重新导通，C1电压再次跳升到6.5V。如此不断重复上述过程。 由上述可知，MOSFET的导通持续时间ton是由VR5的上升斜率决定的，而toff在PRC模式中则由C1R1决定。 (2)稳压原理 如图5所示，为了控制输出，光耦合器的误差信 图4无稳压控制信号输入时之振荡波形 图5有稳压控制信号作用下的振荡波形 图6导通期间的V1波形 图7截止期间的准谐振信号 号输出电流在R4上形成电压降VR4串接在VR5上，从而使输入到?脚的电压V1波形部分受到VR4的控制，使比较器1提前或拖后反相，以改变MOSFET 的ton从而改变次级输出电压，达到稳压的目的。这属于电流控制方式。一般说来，在电流控制方式中，轻载时VR4会升高，有可能使MOSFET导通时的 浪涌电流所引起的噪声对比较器1带来误触发。为了解决这个问题，在MOSFET关断期间插入一个有源低通滤波器，它是由C5和一个1.35mA恒流源组成， 旁接于?脚和地之间。在MOSFET导通之前，该滤波器分流了从光耦输出的约一半电流量，因而使VR4直流偏置量有效降低，防止了导通浪涌电流的叠加 而引起的误触发，此外C5的存在也加大了对噪声的吸收旁路作用。 应该指出的是，现在ton的控制是通过改变VR4的直流电压达到(见图6)，这与过去传统方法不同，过去的和系列是靠 改变充电电压的斜率而达到改变ton的。 (3)过流保护 这是一个脉冲连着脉冲的过流检测电路。由图5中的波形可见，比较器1起着过流保护作用。只要正比于Id的电压V1峰值超过限值0.73V时，就 会强迫振荡器输出反相，使MOSFET关断，ton变小，达到了限制输出电流和输出功率的目的。 准谐振运用 上面讨论了纯光耦反馈电路的PRC工作情况，实际的应用电路应包括从变压器驱动绕组D1来的反馈支路(它包括D903，R908，C913，D904等元器 件)，由于这个支路的存在，使得V1在MOSFET关断期间含有与VDS成比例的电压成份，它叫准谐振信号(见图7)。根据准谐振信号的电平大小可决 定该电源是工作在PRC方式还是准谐振方式。 在MOSFET关断期间如果准谐振信号V1处在0.73V与1.45V之间，则比较器1起作用使电源进入PRC方式;如果准谐振信号V1超过1.45V(V1最大 值为6.0V)，则比较器2起作用使toff降为1.5μs(min)左右，但现时功率管的关断时间不取决于此值，而是比它大得多。事实上只要V1保持大于0.73V， 则MOSFET仍然维持关断，什么时候开始转导通，则由准谐振方式决定。准谐振方式就是使MOSFET在VDS的谐振周期的半周处导通，这样可保证较低的 开关电应力和减少开关损耗，为达此目的，需要满足以下二条件: (1)在漏极和地之间要有一个合适的电容C908存在，由它与初级电感构成LC谐振回路，以便形成漏源极之间电压VDS的谐振波形; (2)栅极驱动中要有合适的延迟以保证当准谐振信号V1下降到0.73V以下，MOSFET开始导通时恰好对应于VDS波形的最低处。在具体调整时，可 用一功率表监测电源输入端，在固定输出负载下，调整R908、C913大小，以获得最小输入功率，此时可判断延迟时间为最合适。还要指出的是延迟作用 也有C910和电路分布电容的参与，所以即使不接入C913，电路仍会有某些延迟。 驱动电路，锁定触发器，热保护和过压保护 (1)驱动电路 驱动电路如图8所示。 这是恒压驱动电路，它利用稳压二极管ZD1(8.6V)来保护恒定的驱动信号幅度。当驱动信号为正脉冲时，Q1导通，通过电阻RG1，RG2对MOSFET激 励使之成为软开关。当输入信号为零电平时，Q1截止，Q2导通，MOSFET栅极电荷将经过一个较小的电阻RG1而迅速放电。稳压二极管ZD1的作用是保 护MOSFET在截止时不致于被上冲的VDS(500V,600V)通过极间电容耦合到栅极而将管子损坏。 (2)锁定触发器Latch 当电路发生过压或过热时，芯片内有关电路会将锁定触发器置ON，使?脚上电压Vin在10V,16V之间来回摆动。IC间歇性地工作，阻止了电流和 电压不正常的升高，直到Vin低于6.5V时，电路完全不起振。此时若要电源再起动，需要关机后再开机才行。 (3)热保护电路 当混合型IC的外壳温度超过140?时，控制IC中的热保护电路就会起动锁定触发器置ON，由于MOSFET与控制IC装在同一块基板上。所以热保护 同样包括MOSFET。 (4)过压保护电路 当Vin超过22.0V时，过压保护电路能起动触发锁定器。使Vin在10V,16V之间来回摆动最后会降到6.5V以下，电源完全停止工作，此时要关机 后再开机才能重新起动。 过压保护电路同时可以防止次级输出电压VO1过高。例如当控制电路开路或其它原因引起VO1大大升高时，通过变压器耦合，驱动绕组的感应电压 相应也会升高，从而使Vin升高。当Vin超过22V时过压保护同样起作用。限制了VO1的再升高，此时的VO1为VO1(OVP)= 例如设VO1(正常值)=130V，Vin(正常值)=18V，利用上式即可算出VO1(OVP)=162.5V，这表示当故障发生时由于过压保护起作用，VO1最高不会超过此值。 3调整和测试结果 利用上述电源安装了三台34英寸彩色电视样机，最初开机时电源不工作，后用示波器观察Vin波形，发现电压过低，于是将驱动绕组ND1由4Ts改 为5Ts，Vin又过大，电源起振一次又熄灭(因过压保护起作用)，后加入一个串联电阻10Ω/1W于整流二极管D904支路上，问题得以解决，Vin在稳 定时达到17V，可顺利开机。 在调试中，为了得到最佳的准谐振的工作状态，可在电视机的电源线端接入一只交流功率表，输入264V交流，并将画面调至黑场，关掉伴音(此时 开关电源的振荡频率最高)，在这情况下调整延迟电路元件R908，C910参数，直至功率表的读数Pi为最小，此时表示电源的开关损耗最小，电路工作 在最佳的准谐振方式中。 实验表明，该电源开关噪音干扰较小，无须加入特别的抗干扰措施，便轻易地通过EMC测试。但在稳态的STANDBY状态，其输入功耗稍大些，通过 调整ND2，以及加入第二光耦IC904使电源在STANDBY时工作在间歇脉冲状态，从而减少了输入功耗。最后得出如下实验结果: 输入电压VMAINS:(90,264)V 输出电压VO1:130V 输入电压调整率:当VMAINS=90V,264V时，VO1=130V?0.2V 负载变化调整率:当IO1=0.3A,0.6A时，VO1=130V?0.3V STANDBY输入功耗(230V时):12W AC/DC转换效率η=85, 开关频率范围:30kHz,110kHz SB频率:8.7kHz(间歇振荡) 4结语 利用日本SANKEN公司的电源混合型成功设计和制成了34英寸彩色电视用开关电源，并通过了所有的例行测试，包括高，低湿测试， EMC测试和开路/短路试验及伴音对图像的干扰等测试。测试结果表明，该电源能很好地满足大屏幕彩色电视机的要求，与其他厂家的同类型IC比较， 除稳压特性和效率基本相同外，它还具有线路更简单，干扰小，调试容易等特点，因此是一个不可多得的实用性强的电视机电源。