北廣全固態(tài)發(fā)射機(jī)遙控系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源原理分析跟典型故障檢修.docx_第1頁(yè)
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北廣全固態(tài)發(fā)射機(jī)遙控系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源原理分析與典型故障檢修 摘要: 對(duì)北廣TVU233型300W全固態(tài)電視發(fā)射機(jī)遙控系統(tǒng)所使用相對(duì)獨(dú)立的24V2A直流開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理進(jìn)行了詳盡解剖與分析,重點(diǎn)介紹以TOP227Y為核心器件的脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)電源的工作原理,總結(jié)了所發(fā)生故障的原因與維修排除過(guò)程,提供了開(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)的典型數(shù)據(jù),為今后快速維修排除該電源的其它各類故障提供相應(yīng)的技術(shù)借鑒,以確保發(fā)射機(jī)的安全運(yùn)行和系統(tǒng)可靠性。關(guān)鍵詞:發(fā)射機(jī) 安全運(yùn)行 開(kāi)關(guān)電源 TOP227Y 故障檢修引言江陰電視臺(tái)自從啟用北廣全固態(tài)彩色電視發(fā)射機(jī)以來(lái),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端光纖遙控與監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)等功能,包括最常用的遙控開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī),給發(fā)射機(jī)的使用與維護(hù)帶來(lái)極大的方便。該發(fā)射機(jī)遙控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱遙控系統(tǒng))供電所采用的是相對(duì)獨(dú)立的24V2A直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,該電源的輸入端為交流220V,與發(fā)射機(jī)的總電源開(kāi)關(guān)同步輸入。一旦該電源出現(xiàn)故障,會(huì)引起遙控系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)射機(jī),因此,該直流電源性能的穩(wěn)定與可靠對(duì)發(fā)射機(jī)而言是十分重要的。以江陰電視臺(tái)18頻道TVU233型300W全固態(tài)電視發(fā)射機(jī)為例,其遙控系統(tǒng)供電電源即采用了這一獨(dú)立的直流開(kāi)關(guān)電源。該發(fā)射機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中就曾出現(xiàn)過(guò)因該電源故障而引起高壓關(guān)閉、信號(hào)中斷。本文對(duì)該開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)、原理等進(jìn)行了詳盡解剖分析,以使其在出現(xiàn)故障時(shí)能夠快速準(zhǔn)確地徹底修復(fù),進(jìn)而確保了發(fā)射機(jī)的安全運(yùn)行。一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)相當(dāng)成熟且應(yīng)用廣泛,該電源同樣采用了高頻開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),以高頻變壓器和光耦作為熱電隔離,電源本身設(shè)有安全設(shè)備接地()、火線接地()和直流輸出(信號(hào))接地(),三個(gè)接地相互高壓絕緣隔離。電源設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊,采取全金屬網(wǎng)罩屏蔽,體積小巧且散熱性能好。二次整流管選取了C92M型雙整流管模塊以提高抗電流沖擊性能。為使電源輸出電壓調(diào)整精準(zhǔn),采用了LM431可調(diào)并聯(lián)精密穩(wěn)壓器件進(jìn)行取樣控制。該電源最大特點(diǎn),是采用了TOP Switch三端式脈寬調(diào)制(PWM)集成電路TOP227Y作為核心器件,可免去許多外圍元件和輔助電路,其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,性能穩(wěn)定,適應(yīng)電壓范圍寬,轉(zhuǎn)換效率高,設(shè)計(jì)和維修方便。二、電路原理1.脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)電源基本原理經(jīng)實(shí)際電路解剖分析,該電源采取的是高頻脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)電源原理。該原理的總體框圖如圖1所示,220V交流電經(jīng)輸入回路的一次整流濾波,形成約310V帶波紋的直流電壓進(jìn)行高頻功率變換,變換后的高頻脈動(dòng)電壓再作二次整流和濾波輸出所需直流電壓,并從輸出的直流電壓經(jīng)控制電路取樣反饋至功率開(kāi)關(guān)電路,從而得到可調(diào)整和穩(wěn)定的直流輸出電壓。 圖1 高頻脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)電源原理圖 2.TOP227Y電路原理 該電源核心器件TOP227Y是TOPSwitch-系列中一款功率可達(dá)150W的芯片。它的三個(gè)管腳分別為控制極C(Control)、源極S(Source)、漏極D(Drain)。TOP227Y的內(nèi)部原理如圖2所示,主要包括以下十個(gè)組成部分。1)控制電壓源控制電壓源Uc以兩種方式向并聯(lián)控制器/誤差放大器提供偏置電壓,一種是滯后調(diào)節(jié),一種是并聯(lián)調(diào)節(jié)??刂齐娏鱅c用于調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)脈沖占空比;2)帶隙基準(zhǔn)電壓源除了向內(nèi)部提供基準(zhǔn)電壓外,還產(chǎn)生具有溫度補(bǔ)償可調(diào)節(jié)的電流源,用來(lái)精確設(shè)定振蕩器頻率和門驅(qū)動(dòng)電流;3)振蕩器提供脈寬調(diào)制所需的SAW鋸齒波、Dmax最大占空比信號(hào)和CLOCK時(shí)鐘信號(hào);4)并聯(lián)控制器/誤差放大器當(dāng)Ic超出正常值時(shí),通過(guò)并聯(lián)控制器進(jìn)行分流。誤差放大器則將反饋電壓Ufb與5.7V基準(zhǔn)電壓比較后生成誤差電壓Ur;5)PWM調(diào)制器通過(guò)Ic的改變,連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比以實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM),并濾除開(kāi)關(guān)高頻噪聲;6)門驅(qū)動(dòng)與輸出級(jí)用于驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管,使之按照規(guī)定的開(kāi)關(guān)頻率導(dǎo)通和關(guān)閉,并將共模電磁干擾減至最??;7)過(guò)熱保護(hù)與上電復(fù)位當(dāng)芯片結(jié)溫Tj135時(shí),過(guò)熱保護(hù)電路啟動(dòng)將觸發(fā)器置1,通過(guò)主控門關(guān)斷輸出級(jí)。當(dāng)斷電后再通電,或?qū)c降至閥值(3.3V)以下,上電復(fù)位電路啟動(dòng)將觸發(fā)器置0,恢復(fù)輸出級(jí)正常狀態(tài);8)過(guò)流保護(hù)檢測(cè)漏極電流Id過(guò)大時(shí),過(guò)流保護(hù)電路通過(guò)“與”、“或”門將觸發(fā)器置0,從而關(guān)閉MOSFET功率管,起到過(guò)流保護(hù)作用;9)系統(tǒng)關(guān)閉/自動(dòng)重啟當(dāng)脈寬調(diào)節(jié)失控時(shí),該電路使芯片在5%占空比下工作并切斷Ic。故障一旦排除,將自動(dòng)重新啟動(dòng)電源,恢復(fù)正常工作狀態(tài);10)高壓電流源在啟動(dòng)或滯后調(diào)節(jié)模式下,該電源經(jīng)由S給內(nèi)部電路提供偏置,并對(duì)Ct進(jìn)行充電。 圖2 TOP227Y電路原理圖圖2中,Zc為控制極動(dòng)態(tài)阻抗,Re為誤差電壓檢測(cè)電阻,Ra與Ca組成截止頻率為7kHz的低通濾波器。TOP227Y為單片反激式開(kāi)關(guān)電源芯片,它的基本工作原理是當(dāng)電源正常工作時(shí),開(kāi)關(guān)S關(guān)斷高壓電流源改接內(nèi)部電源,在控制環(huán)路與振蕩環(huán)路作用下,漏極有電流流入芯片提供開(kāi)環(huán)輸入,該輸入通過(guò)并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器放大,由控制極進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整,改變Ic的大小,經(jīng)PWM調(diào)制器控制MOSFET功率管的輸出占空比,從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓。3.實(shí)際電路原理圖3為依據(jù)實(shí)物繪制的全固態(tài)發(fā)射機(jī)遙控系統(tǒng)供電電源?;赥OP227Y的強(qiáng)大功能,只要少量的外圍電路,就可以構(gòu)成輸入電壓范圍寬、電源轉(zhuǎn)換效率高、電網(wǎng)安全隔離好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、電磁干擾小、功耗低、各種保護(hù)完備、工作性能穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源。在實(shí)際電路中,圍繞TOP227Y的外圍電路只需要輸入整流濾波、鉗位保護(hù)、高頻變壓器、輸出整流濾波及反饋電路等五個(gè)部分。1)輸入整流濾波電路該電路包括交流濾波、整流和直流濾波。交流濾波選用了技術(shù)成熟的型濾波電路。標(biāo)為R02和R03的電容與電容C02、C03組成去除共模干擾電路,C01、C04則用于去除差模干擾。C06、C05和R05組成直流濾波電路,其中C05選用耐壓400V、容量100F,起主要濾波作用,C06和R05用于高頻雜波吸收和抗干擾。圖3 全固態(tài)發(fā)射機(jī)遙控系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源原理圖2)鉗位保護(hù)電路由于開(kāi)關(guān)電源工作頻率高達(dá)100kHz,當(dāng)TOP227Y的MOSFET功率管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止瞬間,會(huì)在高頻變壓器初級(jí)繞組產(chǎn)生極高的尖峰和反射電壓。由V07、V06組成的鉗位電路可有效吸收和抑制尖峰、反射電壓。其中V06為反向擊穿電壓200V的穩(wěn)壓管9908E,也叫“瞬態(tài)電壓抑制器”;V07為反向耐壓600V的超快恢復(fù)整流管MUR160。在實(shí)際電路中,V06緊帖在一塊25202(mm)的銅質(zhì)導(dǎo)電體上并與其正極相接,用以對(duì)V06自身散熱保護(hù),如圖3標(biāo)志“*”所示。3)高頻變壓器高頻變壓器是整個(gè)開(kāi)關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換的核心器件,由于工作在高頻狀態(tài),對(duì)該器件的工藝和電氣設(shè)計(jì)要求很高。該器件體積小巧,有別于體積龐大的工頻變壓器,故開(kāi)關(guān)電源也稱作“無(wú)變壓器”電源。本電路中的高頻變壓器為多達(dá)14腳的多繞組變壓器,而實(shí)際使用的是其中主要的三組繞組:57組為初級(jí)高頻振蕩繞組,1413組為高頻脈沖輸出級(jí)繞組,1(9)3(8)組用于反饋回路脈沖取樣繞組,同時(shí)為起到隔離作用的光耦電路提供可變化的工作檢測(cè)電流,既為脈寬調(diào)整提供條件,又確保了電網(wǎng)隔離。變壓器繞組的“同名端”對(duì)電源工況影響極為關(guān)鍵,如圖3標(biāo)注“”所示。4)輸出整流濾波電路輸出整流濾波電路由V09、C10、C11C24、L02、C13C14等組成。其中整流二極管V09的開(kāi)關(guān)損耗(正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗)約占系統(tǒng)損耗的1/6,也是影響開(kāi)關(guān)電源效率的重要因素。由于肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間短,對(duì)于降低反向恢復(fù)損耗和消除正向輸出電壓波紋優(yōu)勢(shì)明顯,故選用了C92M型肖特基二極管用于二次整流輸出。C92M整流管特別之處還在于它是由兩只二極管并聯(lián)而成,以此增加了整流電路的輸出功率和抗沖擊性能。濾波電路以C10、L02、C13C14為主,電容選用耐壓大于35V、容量為1000F,電感則選用3.3mH磁芯電感,用以抑制加到負(fù)載的高頻噪聲。5)反饋電路反饋電路主要由可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431和線性光電耦合器Q817B共同組成,可使輸出電壓調(diào)整率達(dá)到0.1%。反饋電路是開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直流反饋環(huán)路增益由光耦輸入電流控制電阻R08、光耦電流傳輸比TOP227Y的PWM控制增益來(lái)決定。R06、C(47F/50V)為環(huán)路增益頻率特性補(bǔ)償回路,使反饋更加穩(wěn)定。調(diào)整R14(2k)精密可調(diào)電阻,通過(guò)LM431可使輸出電壓在20.3V37.6V之間可調(diào)。當(dāng)調(diào)整輸出電壓固定在某一值時(shí),電源的穩(wěn)壓經(jīng)反饋回路的過(guò)程是:當(dāng)輸出電壓欲升高時(shí),由R15、R13和R14組成的電壓取樣電路中a點(diǎn)電壓Ur上升,流過(guò)LM431的KA電流增加,b點(diǎn)電壓Uk下降,流過(guò)光耦Q817B內(nèi)發(fā)光二極管電流增加,耦合到光耦射級(jí)電流即流入TOP227Y控制極C的Ic增加,內(nèi)部PWM調(diào)制器據(jù)此調(diào)整開(kāi)關(guān)脈沖占空比D減少,使輸出直流電壓降低。當(dāng)輸出電壓欲降低時(shí),其反饋工作過(guò)程與此相反,從而得到相對(duì)穩(wěn)定的輸出直流電壓。三、故障檢修1.故障現(xiàn)象發(fā)射機(jī)在正常工作時(shí)突然高壓關(guān)閉,信號(hào)中斷。經(jīng)查屬該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出由24V降為0V,拆下電源后單獨(dú)檢查測(cè)試,確認(rèn)電源本身出現(xiàn)故障。2.檢修過(guò)程對(duì)實(shí)際電路外觀檢查,發(fā)現(xiàn)TOP227Y源極管腳已經(jīng)與線路主板有脫離縫隙,且有打火痕跡。拆下該器件,用萬(wàn)用表測(cè)量三極間已經(jīng)完全開(kāi)路,確認(rèn)芯片已經(jīng)損壞。更換正常的TOP227Y,并對(duì)主板其它關(guān)鍵部件如V01V04整流管1N4007、V06V07鉗位穩(wěn)壓整流管、C05C15所有濾波電容、V09整流管及Q817B與LM431等檢測(cè),除V08(1N4148)光耦供電整流二極管已擊穿短路更換后,其他器件確認(rèn)無(wú)誤,加電試機(jī),發(fā)現(xiàn)輸出電壓在220V之間不斷波動(dòng),且伴有“咔嚓咔嚓”響聲,說(shuō)明還有故障未排除。依此現(xiàn)象表明應(yīng)當(dāng)是在穩(wěn)壓反饋環(huán)路中有問(wèn)題,進(jìn)一步對(duì)所有反饋環(huán)路包括電阻電容等再作檢查,并未發(fā)現(xiàn)異常,至此檢修陷入僵局。用萬(wàn)用表重點(diǎn)對(duì)Q817B光耦重新測(cè)量時(shí),發(fā)現(xiàn)、腳C、E結(jié)電阻正反向還是為,按經(jīng)驗(yàn)判斷硅NPN結(jié)此阻值應(yīng)屬正常。為徹底排除疑難,沒(méi)有現(xiàn)成的Q817B光耦作比較測(cè)量,但用同樣封裝結(jié)構(gòu)的線性光耦P621測(cè)量時(shí),發(fā)現(xiàn)C、E反向電阻但結(jié)正向電阻為86k,于是初步懷疑原Q817B光耦C、E結(jié)已開(kāi)路損壞。于是用P621予以代替更換,結(jié)果電路進(jìn)入正常工作狀態(tài),輸出24.3V且非常穩(wěn)定,至此故障排除。3.檢修小結(jié)通過(guò)以上對(duì)該開(kāi)關(guān)電源的檢修,有以下兩點(diǎn)體會(huì)值得總結(jié)。1)在對(duì)關(guān)鍵部件的檢測(cè)中,僅憑經(jīng)驗(yàn)粗略測(cè)量,會(huì)產(chǎn)生誤判,使維修工作走彎路。比如原光耦Q817B的C、E結(jié)已經(jīng)擊穿開(kāi)路,但第一次測(cè)量并未予以重視,誤以為正常,上機(jī)加電后,便出現(xiàn)如前所述的“二次故障”現(xiàn)象。2)分析研判該電源此次故障的根本原因,發(fā)現(xiàn)原TOP227Y器件曾經(jīng)維修更換過(guò)。所更換的TOP227Y三個(gè)管腳長(zhǎng)度被剪過(guò)短,當(dāng)與散熱板固定后,管腳不能正常插入主板焊孔內(nèi),只能用焊錫將管腳“搭焊”在主板焊孔外。由于該器件為高頻大功率部件,連續(xù)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高熱,長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)發(fā)熱,導(dǎo)致三個(gè)極當(dāng)中的源極與主板逐步出現(xiàn)氧化脫焊,某一瞬間剝離開(kāi)路的同時(shí)產(chǎn)生打火,致使本身?yè)舸╅_(kāi)路損壞,也導(dǎo)致V08整流管和Q817B光耦損壞。由此可見(jiàn),在電子電路維修過(guò)程中,更換器件的工藝要求應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,不可以圖省事,馬虎敷衍,否則就會(huì)出現(xiàn)類似不應(yīng)出現(xiàn)的意外故障。為了確保今后發(fā)射機(jī)的安全運(yùn)行,除了備用一款同樣的24V2A直流開(kāi)關(guān)電源外,對(duì)實(shí)際開(kāi)關(guān)電源電路的應(yīng)用參數(shù)和實(shí)測(cè)參考數(shù)據(jù)做出記錄,該電源一旦再次出現(xiàn)故障時(shí)能夠有所參照并盡快修復(fù)。1)Ic從2mA增至6mA時(shí),D就會(huì)由67%減至1.7%;2)控制極C與內(nèi)部并聯(lián)控制器/誤差放大器連接,為芯片提供正常工作電流,且0Ic100mA;3)通過(guò)外部旁路電容與內(nèi)部電源支路連接確定芯片自啟動(dòng)頻率,頻率范圍:80kHzf100kHz;4)控制回路補(bǔ)償電壓典型值:5.7VUc9V;5)輸入交流電壓由85V變化到275V時(shí),TOP227Y導(dǎo)通時(shí)間及關(guān)斷電壓如表1所示;表1 TOP227Y不同輸入電壓實(shí)測(cè)參考數(shù)據(jù)電網(wǎng)輸入電壓(V)85112131173226275功率管導(dǎo)通時(shí)間(S)5.14.63.73.22.72.2關(guān)斷電壓峰-峰值(V)2062472893464305286)當(dāng)輸出電壓固定在24V時(shí),實(shí)際電路中關(guān)鍵點(diǎn)參考電壓(用VC9802A+型數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量)如表2所示;表2 開(kāi)關(guān)電源24V輸出時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓實(shí)測(cè)參考數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)位置abcdefg相對(duì)火線地電壓(V)6.73248.4相對(duì)信號(hào)地電壓(V)2.820.724227)用MF14型萬(wàn)用表測(cè)得正常TOP227Y的離線電阻參數(shù)如表3所示。表3 TOP227

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