LCD電視整機開關電源電路設計與選擇_百度文庫

1、整機開關電源電路的設計與選擇51電源電路的總體511電源設計概述電視機電源的設計是一個系統(tǒng)工程，不但要考慮電源本身參數(shù)設計，還要考慮安全性設計、電磁兼容設計、電氣設計、熱設計、成本設計等方面。因為電性能方面那怕是最微小的疏忽，都可能導致整個系統(tǒng)的崩潰，也會被市場淘汰，整個產(chǎn)品的生存都會受到影響，充分認識到電源產(chǎn)品可靠性設計的重要性和復雜性，對于電視機整機電路的設計非常重要。我們電視機類產(chǎn)品中40200W 輸出功率要求的電源一般選用單端反激式拓撲結構，具有電路簡單、成本低、輸出電壓穩(wěn)定性好，瞬間調(diào)整率高，可靠性經(jīng)過長期驗證，基本可以滿足電視機行業(yè)的需要。512電源規(guī)格的設計要求一、環(huán)境條件號項目

2、技術指標單位備注工作溫度-10+40儲存溫度-40+55相對濕度10%90%散熱方式自然散熱大氣壓力86106KPa 海拔高度3000m1輸入特性序號項目技術要求單位備注.1額定輸入電壓220Vac 輸入電壓范圍90270Vac效率85%額定輸入電壓，額定負載1.4交流輸入電壓頻率4763Hz額定輸入電壓，環(huán)境溫度25功率因數(shù)國標GB17625.1輸出滿載輸出特性序號項目技術要求單位備注130V電壓調(diào)整率±1±1±1±1%負載調(diào)整率±1±1±1±1%.5輸出紋波及噪音100100100100mVp-p 額定輸入，輸

3、出滿載，20MHz 帶寬，負載端并104+10F電容.6動態(tài)響應過沖幅度V：10%Vo25%50%，50%75%，電流變化速率0.5A/St：µS.7開、關機過沖幅度10%VoVin=110Vac上電、掉電時序電源模塊在收到開機信號后（高電平），使主電源開始工作，在收到關機信號（低電平），完全關斷主電源，只保持Stand-By（+5VB/0.5A）的輸出。電源管理待機時間功耗小于5.0W.11溫度系數(shù)0.2%/保護特性序號項目技術要求單位備注1輸出過壓保護+26V3032Vdc 鎖死，不可自動恢復1416Vdc 24V2830Vdc鎖死，不可自動恢復2輸出短路保護輸出可長期短路不損壞

4、，去除后可自動恢復。其它特性三、安規(guī)特性三、安規(guī)特性（請參看（請參看GB8898-2001要求）GB2423.1-1989電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗Ad：低溫試驗方法；GB2423.2-1989電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗Bd：高溫試驗方法；GB2423.9-1989電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗Cb:恒定濕熱試驗方法；GB2423.10-1995電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗Fc:振動試驗方法；GB8898-2001電網(wǎng)電源供電家用和類似一般用途的電子及有關設備的安全要求GB13837-1997聲音和電視廣播接收機及有關設備干擾特性限值及測量方法GB17625.1-1998低壓

5、電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值（設備每相輸入電流16A513電源設計原理框圖號項目技術要求單位備注4.1MTBF30，000H序號項目技術要求備注1抗電強度輸入對輸出3000V/1MIN無擊穿、飛弧現(xiàn)象輸入對大地3000V/1MIN輸出對大地1500V/1MIN絕緣電阻輸入對輸出10M500Vac在正常大氣壓力下，相對濕度為90%，試驗直流電壓500V 時輸入對大地10M500Vac輸出對大地10M500Vac輸入對地漏電流0.7mA Transformer 52電源開關模塊的選用FAIRCHILD 公司的SPS 系列電源模塊封裝了了功率MOSFET 和控制IC ，可以最大限度的減少外圍電路

6、的數(shù)量，而保護功能大大增強。521芯片功能介紹電流檢測控制模式準諧振工作模式寬電壓輸入內(nèi)建原邊檢測校準工作模式。低待機功耗<2W/230V(burst待機模式下 內(nèi)建多種保護電路：1逐周期過電流檢測2過壓保護（自動重啟動）3過載保護（自動重啟動）4過熱保護（鎖定關閉）5動態(tài)過電流保護（鎖定關閉）522芯片介紹一個普通的開關電源由開關電源變壓器、次級整流二極管、開關管、驅(qū)動IC 和系統(tǒng)實現(xiàn)特定功能的其它電路構成，除電源的最基本的功能向次級提供能量外。例如電視機的開關電源為了保證圖象的質(zhì)量必須減小開關噪聲，在待機模式下降低功耗。這些附加的功能需要的電路將提高整個電源的成本。目前，在電源電路應

7、用本芯片的產(chǎn)品有電視機、充電器、電源適配器、打印 機、個人電腦、顯示器等，最先應用在電視機上的是KA3S 系列，在本篇應用中，介紹了KA5Q 系列的各種保護功能的設置和降低待機功耗的方法。最普遍的應用是反激式或正激式，兩者都采用固定頻率PWM 控制方法，在電視機和顯示器應用中不能采用通常的這種PWM 工作模式，因為開關噪聲會影響顯示質(zhì)量。開關管導通時的干擾較關斷時高，顯示器采用同步的方法以減少開關噪聲對屏幕的影響。然而同步方式不能用于電視機，因為電視機的行頻太低，因此改為準諧振方式。在MOSFET 管的DS 極之間增加一個準諧振電容使得準諧振模式的Vds 導通時的上升沿和MOSFET 管漏源極

8、之間的直流電壓加上由次級的整流二極管耦合到初級的反射電壓造成的關斷電壓的下降沿變緩和，有效地降低了dv/dt的開關噪聲，在Vds 最小時或為零時導通減少了開關噪聲和開關損耗。3S 系列芯片中，第5管腳可以設定MOSFET 管的導通時間。為了響應最近以來待機功率應通過法律法規(guī)強制限定的呼聲，5Q 系列內(nèi)建了待機工作模式，在待機模式下可以消耗更低的電能。這種待機方式幾乎沒有噪聲，幾乎不需要增加器件，230V AC 時在待機模式下功率消耗小于3W ，在增加幾個分立器件后，功耗降至2W 甚至1.5W 。為減少損耗，IC 工作消耗的電流和芯片啟動電流都設計的更小。此外，5Q 系列可以執(zhí)行原邊檢測工作模式

9、，它節(jié)省了次級檢測需要增加的分離器件數(shù)量。然而，如果使用次級檢測的工作模式，在BURST 待機模式下需要一個光耦器件。這是因為，使用原邊檢測，為了降低待機工作模式下的功耗，需要切斷Vcc ，可設計一種低成本的電路來作為取樣電路或使用光耦器件實現(xiàn)。此外，為了提高可靠性過電流檢測的功能在此過程中被加以利用?？偠灾?Q 系列有5種保護功能：逐波過電流保護、過電壓保護、過熱保護、過載保護和過電流鎖定，提供了一個非?？煽康碾娫唇鉀Q方案。53電源諧振回路的設計531工作原理當電視機中功率電路啟動時，開關電源開關管會產(chǎn)生一個高頻電流尖峰，在次級電路會產(chǎn)生噪聲，顯現(xiàn)在屏幕上。此外，由于MOSFET 漏源極

10、之間的Coss（MOSFET 結電容）非常小，MOSFET 快速截止導致dv/dt非常高，將產(chǎn)生一個非常高的電壓尖峰振蕩，是次級產(chǎn)生噪聲的主要原因，也是電視機屏幕上的干擾的產(chǎn)生原因之一。MOSFET 漏源極之間的準諧振電容C511較Coss 大的多，C511在MOSFET 關斷和導通時也會產(chǎn)生dv/dt。為減少對屏幕的開關噪聲的影響，電視機和顯示器采取的措施是類似的。在KA5Q 系列開關模塊中，MOSFET 的漏極為1腳，MOSFET 的源極為2腳。圖一圖一所示是準諧振工作模式下的QRC 反激式電源，Lm 是變壓器T501初級電感量，也就是磁感應系數(shù)，D1是MOSFET 的體二極管，Lm 和D

11、1都不是實際器件，是分別附屬于在變壓器和MOSFET ，是它們固有的特性之一，在圖中標識出來是為了便于分析。流過MOSFET 的電流Ids 增長速度是穩(wěn)定的，當Ids 增大到由控制電路設定的Ip 值，MOSFET 被關閉，在此期間，能量由電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲在變壓器T501內(nèi)，C511充電使MOSFET 的關閉速度有所調(diào)整。隨著Vds 上升，阻抗Zr=(Lm/C5111/2變小。能量有電能轉(zhuǎn)化為磁能持續(xù)到次級整流二極管導通為止。此后，變壓器儲存的磁能轉(zhuǎn)化為電能。532 設計的關鍵點C507T501C511VD551C551VD551導通期間，輸出的電流與Ip 成比例，Vds 為Vin+

12、nVo。當存儲的能量全部轉(zhuǎn)化完畢后，恰是Lm 和C511共振的最低點，在此過程中，Vds 減少，Vds 的最小值在理想狀態(tài)下沒有損失Vds-min=Vin-nVo，實際上會高一些。因此，準諧振電容器C511的選值非常關鍵：過大MOSFET 管上升沿過緩，功率損耗太高，且Vds 導通點過遲；過小, 在Lm 和C511共振未達到最低點導通，導通點過高功耗也會增加。檢測電路檢測Vds 的最小值并使MOSFET 導通。檢測方法在以后論述，因為MOSFET 在Vds 最小而不是0V 時導通，電能存儲在C511在MOSFET 導通時迅速瀉放掉，當MOSFET 導通時會出現(xiàn)一個電流毛刺。因此SPS 的IC

13、設定MOSFET 的導通速度較慢，從而減少導通時的高頻電流尖峰的損害。Vds 降低到最小值的時間是T Q (TQ = LmC511，這是一個固定值，與輸入電壓和輸出電流無關。為了穩(wěn)定輸出電壓開關頻率是變化的。負載電流過大輸入電壓過低，開關頻率會降低。波形圖見圖2 圖二54BURST 待機電路設計541特點a 較正常工作模式輸出電壓降低一半。b MOSFET 以固定的峰值電流動作，較正常工作模式低。c 音頻噪聲非常低。d 在沒有增加外圍電路的情況下，230VAC 待機輸入功率小于2W 成為可能。542工作過程圖3的SSR 電路設計是基于副邊檢測工作模式，來闡述BURST 待機工作過程。V o2是

14、低電壓輸出，u-COM 所需功率通過線性穩(wěn)壓器件輸出。V o1是一個為行偏轉(zhuǎn)電路和FBT 電路輸出提供功率的高電壓輸出。圖三e 正常工作模式在正常工作模式下，電視機屏幕工作時，V551是導通的，因為此時u-COM 輸出的待機信號是高電平，Vo1130V 被R555和R554分壓，作為取樣電壓和參考電壓進行比較后穩(wěn)壓用。Vcc =24V為開關電源原邊的SPS 工作提供能量，設定為24V(推薦電壓值 ，當它的值超過11V ，BURST 待機模式將被SPS 中的控制器禁止。f 待機工作模式當待機信號為低電平時，V551關閉，Vo 通過R557和VD558連接到N551KA431的R 管腳，該管腳電壓

15、較正常工作時升高，KA431將接近飽和導通，導致通過光耦器發(fā)光二極管的電流增加很快，開關電源原邊SPS 器件的第四腳F/B管腳電壓減少至0，在控制器的作用下，MOSFET 被關閉，如圖4所示。Vcc V553+12VR551R552C556R553+B130VR554V551R557R555R558R559N502N551VD558同其它輸出電壓一樣降低，減少量由R557、R555和R554共同作用決定。 圖四在R557、R555和R554作用下輸出電壓跌落到待機電壓值之前，Vcc 達到11V （電壓約為正常工作時24V 的45.8），BURST 模式控制器打開，這個動作依賴于Vcc ，如果V

16、cc 跌至11V ，它控制MOSFET 管的開關動作，使它變?yōu)?2V 時，開關管的開關動作停下來，BURST 模式控制器此時限制MOSFET 導通電流峰值到一固定值的方式控制MOSFET 開關動作，從而防止有伴音噪聲的產(chǎn)生。在BURST 待機模式工作期間，SPS 的4腳V F/B維持在0V 左右。當待機信號又變?yōu)楦唠娖綍r，V551導通，Vo 1被R555和R554分壓，此電壓與誤差放大器的參考電壓進行比較，V F/B電壓增加。如果V F/B增加，它控制MOSFET 管轉(zhuǎn)變?yōu)檎лd工作狀態(tài)，BURST 模式控制器狀態(tài)被屏蔽掉，輸出電壓回復為正常電壓。543設計關鍵點當MOSFET停止開關動作時

17、，因為待機信號變?yōu)榈碗娖?，輸出電壓開始減 圖五少，但是速度不同，這個速度由輸出電流和輸出電容器的容量決定。本節(jié)以前描述的是正確的設計下的結果，此時Vcc 降低的速度比Vo2下降速度快，如果Vo2下降的速度較Vcc 快，待機動作會如圖5所示。如果在Vcc 達到11V 前，Vo2由于R557、R555和R554的設定而降至一個電壓，誤差放大器開始校準動作。如果SPS 的F/B腳電壓較0V 略高，由于圖象關閉后負載電流下降，V F/B不能回復到正常電壓。如果V F/B不為0，MOSFET 開始動作，輸出電壓維持到正常電壓的45，即使MOSFET 工作，Vcc 會比正常工作時電壓的45高而繼續(xù)增加。如

18、果Vcc 變?yōu)?1V ，近似于正常工作電壓的45.8，待機模式控制器開始作用，Vcc 和輸出電壓開始上升。如果Vcc 變?yōu)?2V ，MOSFET 停止工作，上述動作重復，在這種工作模式下，開關周期被延長，增加了開關損耗，因此輸出整流電容需要替換為更大的電容器。55反饋電路設計方法當SSR 應用時，輸出電壓值由Vo1決定，電壓是受控的，與誤差放大器正常工作時（KA431為2.5V ）的基準電壓相關聯(lián)。如圖3所示，u-COM 輸出待機信號為高時，V551導通VD5513截止。誤差放大器周邊的電阻R554和R555如下確定：由于在待機模式下u-COM 輸出待機信號為低電平，V551截止，VD558導

19、通。R554、R555和R557確定了輸出電壓，可由下式計算得出：V 1、V 2：正常工作模式下輸出電壓Vo 1和Vo 2V1、V2：控制回路中Vo 1和Vo 2在待機模式下的理想值（當Vcc 為24V 時，V1和V2應為45%）變壓器繞制比率：如果待機模式下Vcc 降低到11V 之前，Vo2下降到V2，誤差放大器開始反饋動作，如果V2太低，u-COM 可能重啟，所以V2電壓值必須選擇那些可以保證輸出電壓的線性穩(wěn)壓器件，因此，繞制比例應選擇11/Vcc>V2/V2。換句話說，變壓器應設計成Vo2稍高于V2，這樣，在原邊V F/B（4腳）電平為地時保證誤差放大器輸出飽和狀態(tài)。56同步電路設

20、計方法同步腳的作用是確定MOSFET 導通期間準諧振動作的持續(xù)時間。為了有效地控制QRC 動作，MOSFET 需要在Vds 最低時導通。在正常和待機模式下的參554554555555554554554554554555555555555555557557考電壓如圖6所示，同步腳被用來檢測MOSFET 的電壓達到最小值的時間。同步腳電壓較Vrh 大時MOSFET 截止，當較Vrh 小時MOSFET 保持導通狀態(tài)。圖7中所示是正常狀態(tài)下的Vsync 的波形圖。Vsync(t的峰值Vc 與被R15和R16將Vcc 電壓分壓后的值等同。在他的值大于Vrh 時，Vsync(t可以在正常/待機時進行同步動

21、作，在正常模式下，這個值大于4.6V ，在待機模式下大于3.6V 。圖六通過C515的電壓，Vsync(t在MOSFET 截止后增加到Vc 。當變壓器電流以指數(shù)冪曲線跌至0，如圖7 所示：圖七C512VD512R515R516C515當T V551由V C1和V rf1計算得出，等價于由V C2和V rf2計算得出的T Q2，如下式：V rf1/Vc1=Vrf2/Vc2換句話，A. T V551T Q2獨立于。B. T Q 象Vc/Vrf的比率一樣是固定不變的。當變壓器的反饋電流變?yōu)?，Vds 開始減少，MOSFET 電壓變?yōu)樽钚≈档臅r間TR:T R =上邊的等式指出變?yōu)樽钚‰妷褐邓璧臅r間是

22、原邊電感Lm 和C511的功能，也就是說TR 與輸入電壓和輸出電壓無關，一點電路設計好后就固定了。輸出電壓在待機模式下下降到原來的45-50%，Vc 也是一樣，因此T Q 必須等于T R ，不管何種模式，在待機模式下保證QRC 工作，最后，同步腳的比較器的參考在這種模式下改變。 圖八57護功能的實現(xiàn)571過壓保護當反饋電路出現(xiàn)問題的時候，不論是沒有開關動作還是輸出電壓持續(xù)升高都是因為沒有校準。5Q 系列芯片中，當同步腳（第5腳）的電壓達到12V 時會進入鎖定模式，也是對過電壓輸出的一種響應。此時，開關電源停止工作，所有的輸出電壓開始下降。當Vcc 電壓下降到9V時，開關電源會自動解鎖并開始動作

23、，并且Vcc 電壓開始上升。一旦它達到15V ，開關動作重新啟動。這叫做自動重起。其中要注意的一條是V sync (t的斜率，延遲時間是C512*(R15/R16。如果延時太小，V sync (t的波形會產(chǎn)生震蕩，從而導致OVP 電路誤動作。當V sync (t的峰值電壓Vc 達到OVP 的值（12V ），則反饋回路種會出現(xiàn)問題，輸出電壓的過沖電壓會下降，但是必須注意，對于輸出電壓的一個微小的過沖電壓，OVP 電路是不會出現(xiàn)問題的。如果Vc 設置的太小，PSR 模塊會在OVP 動作之前啟動，并且調(diào)整Vcc 電壓（第三腳）；這種情況下，在輸出電壓異常的時候開關電源還是會照常工作，而不會進入過壓保護。572過熱保護如果周圍溫度過高，或者由于電源工作異常而導致的元件內(nèi)部溫度過高，當元件的結溫度達到150，則開關電源進入鎖定狀態(tài)，停止工作。573過流保護次級整流二極管短路或者變壓器腳間短路與一個許多uH 的電感連接到輸入大電解電容是等效的。會有