液晶電源講解

1、TV電源原理電源原理 品質(zhì)工程部品質(zhì)工程部 林愛恩林愛恩 FEB-22-05 LCD TV電源介紹 因液晶屏本身沒有發(fā)光功能，這就需要在液晶屏后加一個照明系統(tǒng)，該背光照明系統(tǒng)由發(fā)光部件、能使光線均勻照射在液晶表示面的導(dǎo)光板和驅(qū)動發(fā)光部件的電源構(gòu)成?，F(xiàn)在發(fā)光部件的主流為被稱作冷陰極管的螢光管。其發(fā)光原理與室內(nèi)照明用的熱陰管類似，但不需象熱陰管那樣先預(yù)熱燈絲，它在較低溫狀態(tài)就能點亮，因此叫冷陰極管。但要驅(qū)動這種冷陰極管需要能輸出10001500V交流電壓的特殊電源。由于一般市用電網(wǎng)提供的是220V/50Hz或110V/60Hz的交流電壓，而顯示器（不論是早期的CRT管，還是新興的LCD顯示器，乃至

2、LCDTV）的大部分電路是工作在低壓的條件下，所以需要在顯示器上專門配有電源電路。其作用就是將市電的交流電壓轉(zhuǎn)換成為12V的直流電壓輸出，從而向顯示器供電。由于顯示器內(nèi)部的主板上還有DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器以獲得8V/5V/3.3V/2.5V電壓，所以電源輸出的12V的直流電壓就能滿足顯示器工作的要求。鑒于此，要實現(xiàn)這一特殊的電源，就要從12V直流電壓轉(zhuǎn)換到10001500V交流電壓，這就是Inverter。而從交流電壓轉(zhuǎn)換到12V直流電壓的即為Adapter。早期，冠捷電子采用Adapter和Inverter分開的方式實現(xiàn)對顯示器的供電。Adapter采用的PWM IC為UC3842或UC384

3、3、Inverter采用的PWM IC為TL1451。后來，出于Cost down的考慮，采用Adapter和Inverter一體化的方案，Adapter部分采用的PWM IC為SG6841、Inverter部分采用的PWM IC為TL1451。隨著燈管的增加及所需的功率不斷增加，Inverter部分回路的設(shè)計方案得到轉(zhuǎn)變，由原來的Royer回路變?yōu)槿珮蚴交芈?，為此?yīng)用到OZ960IC。第一講、開關(guān)電源的基本工作原理第一講、開關(guān)電源的基本工作原理開關(guān)電源是利用時間比率控制（Time Ratio Control,縮寫為TRC）的方法來控制穩(wěn)壓輸出的。按TRC控制原理，有以下三種方式：1) 脈沖寬

4、度調(diào)制（Pulse Width Modulation,縮寫為PWM）。開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來 改變占空比的方式。2) 脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation,縮寫為PFM）導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的方式。3）混合調(diào)制導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。 在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。本設(shè)計采用的就是脈寬調(diào)制型（PWM）開關(guān)穩(wěn)壓電源，其基本原理可參見右圖。 對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流

5、平均電壓Uo可由公式計算，即Uo=UmT1/T式中Um 矩形脈沖最大電壓值；T 矩形脈沖周期；T1 矩形脈沖寬度。脈寬調(diào)制型 從上式可以看出，當Um與T不變時，直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩(wěn)定電壓的目的。此外，為因應(yīng)各種不同的輸出功率，開關(guān)電源按DC/DC變換器的工作方式分又可分為反激式（Flyback）、順向式（Forward）、全橋式（Full Bridge）、半橋式（Half Bridge）和推挽式（Push-Pull）等電路拓撲（Topology）結(jié)構(gòu)。其中單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出

6、功率為20100，可以同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率，應(yīng)用較為廣泛其典型的電路如圖所示。圖1-1 反激式開關(guān)電源典型電路結(jié)構(gòu)藉由PWM IC控制開關(guān)管的導(dǎo)通與否，配合次級側(cè)的二極管和電容，即可得到穩(wěn)定DC電壓的輸出。Ui為含有一定交流成份的直流電壓，由開關(guān)功率管斬波和高頻變壓器降壓，將儲存于在變壓器的能量傳遞給次級側(cè)，轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸４送飧淖冏儔浩鞒?、次級的圈?shù)，就可以得到想要的DC電源。PWM控制電路是這類開關(guān)電源的核心，它通過取樣反饋閉環(huán)回路，調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例即占空比，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 由于高頻變

7、壓器的磁芯只有一個輸出端，而MOS開關(guān)功率管導(dǎo)通時，次級整流二極管截止，電能就儲存在高頻變壓器的初級電感線圈中；當MOS功率管關(guān)斷時整流二極管導(dǎo)通，初級線圈上的電能傳輸給次極繞組，并經(jīng)過次級整流二極管輸出，故稱之為單端反激式。開關(guān)電源雖然具有許多優(yōu)點并得到廣泛的應(yīng)用，但由于它具有嚴重的射頻干擾,在線性電路中的應(yīng)用一直受到很大的限制。開關(guān)電源是把工頻交流整流為直流后，再通過開關(guān)變?yōu)楦哳l交流，其后再整流為穩(wěn)定直流的一種電源，這樣就有工頻電源的整流波形畸變產(chǎn)生的噪聲與開關(guān)波形產(chǎn)生的噪聲。在輸入側(cè)泄露出去就表現(xiàn)為傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲，在輸出側(cè)泄露出去就表現(xiàn)為紋波。同時外部噪聲會進到電子設(shè)備中，而供給負載

8、的電源噪聲也會泄露到外部。若電源線中有噪聲電流通過，電源線就相當于天線向空中輻射噪聲。而這些噪聲都會影響設(shè)備的正常工作。要想使其得到更廣泛的應(yīng)用，滿足電磁兼容性的有關(guān)指標，就需要有效地抑制開關(guān)電源的干擾。雜訊干擾的途徑有兩種：傳導(dǎo)干擾與輻射干擾。以下分別對兩種干擾的特性與抑制方法做一介紹。 1.1 傳導(dǎo)干擾及其抑制措施傳導(dǎo)干擾及其抑制措施 從導(dǎo)線傳入的干擾稱為傳導(dǎo)干擾，其干擾能量通過導(dǎo)電體進行傳播，開關(guān)電源的輸入、輸出引線都是傳導(dǎo)干擾的媒介。 開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾會沿電源引線進入電網(wǎng)，污染電網(wǎng)，使同一電網(wǎng)的電子設(shè)備受到干擾。同時電源的輸出線還將把干擾噪聲傳遞給負載，使作為電源負載的電子設(shè)備直接受

9、到干擾，當這種干擾幅度若大到一定程度，會影響線性電路和一些小信號電路的正常工作。由于傳導(dǎo)干擾主要是通過輸入輸出引線進行傳播，因而相對來說傳導(dǎo)干擾的抑制要容易些，主要方法是加接輸入輸出濾波器 。 在開關(guān)電源的輸入側(cè)要介入電容與電感構(gòu)成的濾波器，用于抑制交流電源產(chǎn)生的EMI，而該濾波器也稱為電磁兼容（EMI）濾波器。其電路如圖2-1所示。 圖2-1輸入端抑制傳導(dǎo)干擾電路（EMI）第一節(jié)第一節(jié) 開關(guān)電源的干擾特性及其抑制措施開關(guān)電源的干擾特性及其抑制措施該濾波器是一典型的低通濾波器，使開關(guān)電源產(chǎn)生的一些高頻脈沖干擾經(jīng)過它后得到極大的衰減，能較好的濾除來源于電網(wǎng)或者傳入電網(wǎng)的干擾，使其符合FCC、CE

10、、VDE等標準。圖中L901、L902為共模扼流圈，它是繞在同一磁環(huán)上的兩只獨立的線圈，圈數(shù)相同，繞向相反，在磁環(huán)中產(chǎn)生的磁通相互抵消，磁芯不會飽和，主要抑制共模干擾，感值愈大對低頻干擾抑制效果愈佳。這樣繞制的濾波電感抑制共模干擾的性能大大提高。L901、 L902分別選擇感值為2.0mH和15mH的共模扼流圈。C901、C902為共模電容，主要抑制差模干擾，即火線和零線分別與地之間的干擾。電容值愈大對低頻干擾抑制效果愈好，在這里選用102PF/250V。C903、C904為差模電容，主要抑制共模干擾，即抑制火線和零線之間的干擾。電容值愈大對低頻干擾抑制效果愈佳，在這里選用0.47uF/300

11、V。有時為了降低成本也可將C904省去。圖中CN901為插座，接電網(wǎng)電壓。F901為保險絲，電路中采用了規(guī)格為2A/250V的保險絲，它在高壓時熔斷，可防止設(shè)備在突發(fā)的高壓時引起的破壞。NR901為負溫度系數(shù)熱敏電阻，開機瞬間溫度低，阻抗大，防止電流對回路的浪涌沖擊。常溫下其規(guī)格為5A/5。R901、R902對抗干擾電容起泄放作用，可于關(guān)機后迅速消耗掉C903儲存的電能，防止帶電損耗元件。它們的規(guī)格都為1M，一般采用金屬釉材料。輸出端的干擾抑制，主要也是靠高頻濾波器，電路圖如下所示：圖1-2輸出端抑制傳導(dǎo)干擾電路 濾波電感由于工作在直流大電流狀態(tài)下，磁芯在較大的磁場強度下工作，容易包含，一旦飽

12、和，電感即失去濾波作用。因此必須采用飽和磁場強度很大的恒磁心，如鐵鎳鉬磁粉芯等金屬磁芯。2 由于輸出干擾的頻譜相當豐富，從幾十赫茲到幾十兆赫茲均含分量。由于在高頻的情況下，濾波電容等效由純電容（C）、等效串聯(lián)電阻（RES） 和等效串聯(lián)電感（LES）構(gòu)成的串聯(lián)電路。在工作頻率f超過電容器的自諧振頻率fr時，電容器就起到電感的作用。 值大的濾波電容對低頻干擾比較敏感，相反，值小的濾波電容吸收高頻干擾的效果比較好。因此不能光采用大電解電容濾波C923，還必須加接自諧振頻率很高的電容器C924。+C924470UF/16VL90373A-253-91L12+C9231000UF/16V1.2 輻射干擾

13、及其抑制措施輻射干擾及其抑制措施從空間傳入的干擾稱為輻射干擾，一般是指耦合干擾，即干擾能量通過空間介質(zhì)進行近場感應(yīng)。由于開關(guān)電源一般工作在低壓大電流情況下，因而磁場干擾大于電場干擾。主要由開關(guān)變壓器的漏感、開關(guān)功率管在開關(guān)轉(zhuǎn)換時的大電流脈沖、開關(guān)二極管反向恢復(fù)的硬特性等引起。輻射干擾的抑制主要靠屏蔽。對電場可采用導(dǎo)電良好的材料，而磁場屏蔽則應(yīng)采用導(dǎo)磁率較高的材料。在本文中就不作詳細論述。抑制干擾最有效的方法，是盡量減少干擾源的干擾能量。對開關(guān)電源變壓器要減少其漏感，并選擇開關(guān)參數(shù)優(yōu)良的晶體管和軟恢復(fù)的開關(guān)二極管。 此外，輸出干擾的幅度還與PCB板的布線有很大關(guān)系，不合理的布線往往會使干擾幅度大

14、幾倍，尤其是接地點的安排特別重要。2.1 PWM控制器控制器SG6841簡介簡介目前，開關(guān)電源的集成化與小型化已成為現(xiàn)實，早期的PWM IC大多采用UC384X系列（如UC3842、UC3843），但由于新產(chǎn)品越來越積體化及環(huán)保和安規(guī)要求越來越嚴苛的趨勢下，出現(xiàn)了384XG及684X等具有Green Function的IC。Green Function為環(huán)保功能的意思，亦稱之為Blue Angel，其要求是在滿載70W以下的電源產(chǎn)品，當負載沒有輸出功率的情況下，輸入電源仍照常供應(yīng)時，電路消耗功率必需小于1W以下。SG6841是由System General崇貿(mào)科技開發(fā)的一款高性能固定頻率電流模

15、式控制器，專為離線和DCDC變換器應(yīng)用而設(shè)計。它屬于電流型單端PWM調(diào)制器，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝調(diào)試簡便、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點，可精確地控制占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，還擁有低待機功耗和眾多保護功能，所以，為設(shè)計人員提供只需最少的外部元件就能獲得成本效益高的解決方案，在實際中得到廣泛的應(yīng)用。SG6841有下列性能特點： 第二節(jié)第二節(jié) 脈寬調(diào)制控制器脈寬調(diào)制控制器SG6841 在無負載和低負載時時， PWM的頻率會線性降低進入待機模式以實現(xiàn)低功耗，同時提供穩(wěn)定的輸出電壓。 由于采用BiCMOS，啟動電流和正常工作電流減少到30A和3mA，因此可大大提高電源的轉(zhuǎn)換效率。 SG6841是

16、固定頻率的PWM控制器，它的工作頻率通過一個外接電阻來決定，改變電阻值可輕易改變頻率。 內(nèi)建同步斜率補償電路，可保證連續(xù)工作模式下電流回路的穩(wěn)定性。 內(nèi)建電壓補償電路可在一個較大的AC輸入范圍內(nèi)實現(xiàn)功率限制控制，并提供過載、短路保護功能。此外，還設(shè)有低電壓鎖定（UVLO）功能，使工作更穩(wěn)定、可靠。 可通過外接一個負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTCR）來傳感環(huán)境溫度以實現(xiàn)過溫保護，也可利用該功能實現(xiàn)過壓保護。 具有圖騰柱（即推拉輸出電路）輸出極，可實現(xiàn)良好的EMI。其最大輸出電壓鉗位在18V。常見的SG6841有8腳DIP和SO兩種封裝，其各引腳功能分別如下所示： GND：接地。 FB：反饋電壓輸入端。

17、用于提供PWM調(diào)節(jié)信息，PWM占空比就是由它控制。 Vin：啟動電流輸入端。SG6841開始工作必須在該端要提供一個啟動電壓。 RI：參考設(shè)置端。通過連接一個電阻接地來為SG6841提供一個恒定的電流，改變電阻阻值將改變PWM的頻率。 RT：溫度保護端。該端輸出一個恒定的電流。在該端接一NTCR接地來傳感溫度，當該端電壓下降到一定值時會啟動過溫保護。在本設(shè)計中，該功能被用于高壓保護。 Sense：電流傳感端。當該端電壓達到一個閾值時芯片會停止輸出,從而實現(xiàn)過流保護。 VDD：電源供電端。 Gate：PWM脈沖輸出端。圖騰柱（即推拉輸出電路）輸出極驅(qū)動功率開關(guān)管。1)振蕩器SG6841的PWM頻

18、率范圍為50KHz100KHz。RI端通過連接一個電阻Ri接地來為SG6841提供一個恒定的電流，改變電阻阻值將改變PWM的頻率。2.2 SG6841內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-1 SG6841內(nèi)部框圖在本設(shè)計中，取Ri24k，SG6841的PWM頻率為70.42kHz。2）欠壓鎖定欠壓鎖定 SG6841采用了欠壓鎖定比較器來保證輸出級被驅(qū)動之前，集成電路已完全可用。欠壓鎖定回路其實質(zhì)是一個滯回比較器，以防止在通過它們各自的門限時產(chǎn)生錯誤的輸出動作。它的開啟電壓為16V，關(guān)閉電壓為10V。在啟動過程中，比較器反向輸入端為16V，當VDD16V時，比較器輸出為低電平，SG6841無

19、法工作。當VDD升到16V時，欠壓鎖定器輸出為高電平，SG6841正常工作，同時MOS管導(dǎo)通，使比較器反向輸入端為10V。當VDD下降至10V時，欠壓鎖定器的輸出回到低電平，整個電路停止工作。SG6841的7腳端設(shè)置了一個32V的齊納二極管，保證內(nèi)部電路絕對工作在32V以下，以防電壓過高損壞芯片。3）輸出部分輸出部分 SG6841的8腳為輸出腳，它是一個單圖滕柱輸出級，專門設(shè)計用來直接驅(qū)動功率MOSFET的，具有降低熱損耗、提高效率和增強可靠性的作用。在芯片內(nèi)部有一18V的穩(wěn)壓管與Gate端相連使輸出電壓鉗位在18V，可保護MOSFET免被擊穿。通過控制PWM脈沖的上升與下降時間，可有效減少開

20、關(guān)噪聲，提高電源的EMI，并提供穩(wěn)定的MOSFET管Gate極驅(qū)動。在1.0nF負載時，它能提供高達1.0A的峰值驅(qū)動電流和典型值為250ns的上升時間和50ns的下降時間。還附加了一個內(nèi)部電路，使得任何時候只要欠壓鎖定有效，輸出就進入灌模式，這個特性使外部下拉電阻不再需要。4）電流取樣比較器和脈沖調(diào)制鎖存器）電流取樣比較器和脈沖調(diào)制鎖存器 SG6841作為電流模式控制器工作，輸出開關(guān)導(dǎo)通由振蕩器開始振蕩起始，當峰值電感電流到達FB反饋端電平時終止。這樣在逐周基礎(chǔ)上誤差信號控制峰值電感電流。所用的電流取樣比較器-脈寬調(diào)制鎖存配置確保在任何一定的振蕩周期內(nèi)，僅有一個單脈沖出現(xiàn)在輸出端。電感電流通

21、過插入一個與輸出開關(guān)Q901的源極串聯(lián)的以地為參考的取樣電阻Rs轉(zhuǎn)換成電壓。此電壓由電流取樣輸入端Pin6 Sense監(jiān)視，并與來自Pin2 FB端電平相比較。通常取樣電阻Rs為一小電阻。在正常的工作條件下，峰值電感電流由管腳1上的電壓控制，其中：Ipk =（VFB 1.0V）/3RS 其中，VFB為FB端電壓，1.0V為在兩個二極管上的壓降，1/3為經(jīng)兩個電阻后的分壓比。當電源輸出過載或者如果輸出電壓取樣丟失時，異常的工作條件將出現(xiàn)。在這些條件下，電流取樣比較器門限將被內(nèi)部箝位至0.85V。因此最大峰值開關(guān)電流為：Ipk（max）=0.85V / Rs當輸入電壓很大時，取樣電流將非常小，這時

22、可通過高壓補償回路來調(diào)節(jié)。在電路中，通過R904與R905（均為1M來提高Sense端電平，實現(xiàn)高壓補償。 當負載短路或其它原因引起功率管電流增加，并使取樣電阻Rs上的電壓升高。當Sense端的電壓達到0.85V時，RS觸發(fā)器的R端輸入為低電平，從而Q非輸出低電平，SG6841即停止脈沖輸出，可以有效的保護功率管不受損壞，從而實現(xiàn)過流保護。由此可得Ipk（max）0.85V/Rs，改變Rs值即可改變其最大的輸出功率。在本設(shè)計中取Rs0.3，可得Ipk（max）2.83A。 在SG6841的Sense端產(chǎn)生的噪聲會引起PWM輸出脈沖的不穩(wěn)定。在芯片內(nèi)部Sense端經(jīng)過一個斜率補償電路后，才接至比

23、較器同相輸入端，這能有效地降低噪聲的影響。良好的PCB布線和避免元件管腳太長也有利于減少噪聲。而在UC3841的應(yīng)用電路中則需要在Sense端增加一個RC濾波器來解決同樣的問題，可見SG6841的功能更強，外圍電路更簡單。 當SG6841正常工作時，其內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生振蕩信號，此信號一路直接加到圖騰柱電路的輸入端，另一路加到PWM脈寬調(diào)制RS觸發(fā)器的S端，RS型PWM脈寬調(diào)制器的R端接電流檢測比較器輸出端。當峰值電感電流未達到FB反饋端電平時，比較器輸出低電平，此時R端為低電平，Q非端輸出低電平；當峰值電感電流達到FB反饋端電平時，比較器輸出高電平，此時R端為高電平，Q非端輸出高電平?？梢?，F(xiàn)B端電壓越高，Q非端脈沖越寬，同時Gate端輸出脈寬也越寬（占空比增大）；FB端電壓越低，Q非端脈沖越窄，同時Gate端輸出脈寬也越窄（占空比變小），從而實現(xiàn)PWM控制