开关电源基本电路的分析介绍

液晶彩电的主、副电源都采用他激式并联型开关电源。液晶彩电电源板的开关电源按功率变换器中的开关管数量不同,有一个开关管的单端式功率变换器和两个开关管的半桥式功率变换器之分。副电源基本上都是采用前者,小功率液晶彩电电源板的主电源也采用前者,而新型大功率液晶彩电主电源为了提高效率,往往采用后者。

1.普通并联型开关电源

普通并联型开关电源主要由启动电路、开关电源控制芯片、开关管、开关变压器、输出电路、稳压控制电路及保护电路等部分组成,如图2-12所示。

图2-12 普通并联型开关电源基本电路框图

各组成部分简介如下:

(1)启动电路

启动电路的作用是在通电瞬间为开关电源控制芯片提供启动电流,使其内部电路启动工作。启动电路一般由电阻构成。采用电源厚膜电路构成的开关电源,启动电路通常集成在厚膜电路的内部。

(2)开关电源控制芯片

开关电源控制芯片简称电源控制芯片或电源控制器,也叫PWM控制器等。其内部包含开关电源振荡电路、稳压控制电路以及保护电路等。其作用有三点:一是产生激励脉冲信号;二是稳压控制,但需与外围电路共同作用来实现;三是保护作用,常规的保护作用有过电压、欠电压、过电流、过热保护等,有些保护作用需与外围电路共同作用来实现,而有的保护作用由电源控制芯片内部的保护电路即可完成。

提示与引导 液晶彩电中使用的电源控制芯片型号繁多,按驱动脉冲输出端的数量不同,可分为单端开关电源控制器和双端电源控制器两类。单端开关电源控制器只有一个驱动脉冲输出引脚,用于单端式功率变换器,如用于副电源的NCP1207A、NCP1271A、LD7522PS、LD7550等,用于主电源的FAN7602、NCP1217、NCP1377等。双端电源控制器有两个驱动脉冲输出引脚,两引脚输出相位完全相反(相位差180°)的两组矩形脉冲信号,用于半桥式(或称推挽式)功率变换器,这类开关电源控制器主要用在主电源中,副电源一般不采用。主电源常用的双端开关电源控制器有DLA001、L6598D、L6599、NCP1395、NCP1396、SSC9502S、SSC9512等。

(3)开关管和开关变压器

开关管在电源控制芯片输出的高频开关脉冲作用下,工作在周期性地导通与截止的高频开关状态。液晶彩电的开关电源中,开关管通常采用大功率场效应晶体管(MOSFET),且多为N沟道。采用电源厚膜电路的开关电源,开关管集成在电源厚膜电路内部。

开关变压器作为开关电源的储能电感,还起着降压的作用。

(4)输出电路

输出电路由整流二极管和滤波电容等组成,其作用是将开关变压器各绕组高频脉冲电压变成稳定的直流电压。液晶彩电的电源板,副电源的输出电压一般为+5V,而主电源的输出电压一般为+24V、+12V。

(5)稳压控制电路

稳压控制电路由取样电路、比较误差放大电路、光耦合器和脉冲调制电路组成。其作用是检测输出电压U_o的高低,并与一基准电压比较,输出一误差电压,然后经光耦合器隔离后去控制振荡脉冲的宽度或振荡频率,改变开关管的导通与截止时间,达到稳定输出电压的目的。

取样电路的作用是为比较误差放大电路提供一个取样电压。取样电路一般由分压电阻构成,取样方式一般为直接取样,即取样电压取自开关电源的输出端,经电阻直接分压取样。

比较误差放大电路用来将输出取样电压与一基准电压比较,输出一个误差电压,经放大后去控制光耦合器的发光二极管发光强度。比较误差放大电路一般采用三端误差放大器,常用的有TL431、AZ431等。

光耦合器起隔离传输的作用。光耦合器内部由发光二极管和光敏晶体管两个部分组成。常用的光耦合器有PC817、EL817、NEC2561等。(www.xing528.com)

脉冲调制电路集成在电源控制芯片的内部,它将稳压控制电路的反馈电压进行处理,以便调节振荡脉冲(即开关管激励脉冲)的占空比(占空比等于脉冲宽度与开关脉冲重复周期的比值),以便改变开关管的导通与截止时间来实现稳压的目的。调节的方法有两种:一种是调宽式,这种方法是开关脉冲的周期保持不变而改变脉冲宽度;另一种是调频式,这种方法是通过调节振荡脉冲的振荡频率,改变占空比时整个周期也改变。

(6)保护电路

液晶彩电的开关电源都设置有完善的保护电路,一旦输入电压过高或过低,或开关电源电路及其负载电路有故障,保护电路就会动作,使开关电源停振或进入待机状态,以保护开关电源和负载电路免受损坏。保护电路包括尖峰脉冲吸收电路、过电压保护、欠电压保护、过电流保护、过热保护电路等。尖峰脉冲吸收保护的作用是,吸收开关管由导通转为截止时产生的尖峰脉冲,保护开关管。过电压保护的作用是防止由于电源内部故障造成输出电压过高而损坏电源和负载电路。欠电压保护的作用是防止输入电压过低时造成开关管因激励不足而损坏。过电流保护的作用是防止由于负载过电流或电源内部故障而造成开关管过电流而损坏。在保护电路启动时,电源控制芯片关断开关脉冲输出,开关管因无激励脉冲而停止工作。

上述保护电路中,尖峰脉冲吸收电路由分立元件组成。过热保护电路一般在电源控制芯片内部,过电压、欠电压、过电流保护电路一般由电源控制芯片的内部电路与外部的保护检测电路共同构成。

提示与引导 液晶彩电中,主、副开关电源输入电压U_i,对于有PFC电路的电源板来说,一般为PFC输出电压,该电压待机时为+300V左右,二次开机后升至+370~+400V。副电源接通电源后即工作,而主电源通常在待机状态不工作(虽然有+300V左右电压加到开关管的漏极,但电源控制芯片无VCC供电,因此不工作),在二次开机后才工作。

2.半桥谐振式开关电源

液晶彩电的主电源大多采用半桥谐振式开关电源。

半桥谐振式开关电源也称为半桥谐振式变换器,简称谐振式电源。它的基本原理示意图如图2-13所示。其中VF1、VF2为开关管,两个开关管构成半桥电路,VF1称为半桥电路的上臂,VF2称为半桥电路的下臂。T1为开关变压器,C1为谐振电容。

图2-13 半桥谐振式开关电源原理示意图

开关振荡电路产生的振荡脉冲信号,经处理后形成相位完全相反(相位差180°)的两组矩形脉冲信号,经驱动电路驱动放大后输出两组驱动脉冲信号,加到VF1、VF2的栅极,控制开关管VF1、VF2轮流导通和截止。当VF1导通时,VF2截止,此时U_i(液晶彩电的主电源为PFC电路输出的380V电压)经VT1的D-S、开关变压器T1的一次绕组①-②绕组向谐振电容C1充电。在VF1截止、VF2导通时,C1放电,放电路径为C1上端→T1②-①绕组→VF2的D-S→地(即C1下端)。在VF1和VF2的轮流导通与截止过程中,T1二次绕组感应得到电流,经过全波整流滤波得到直流电压U_o,为负载电路提供工作电压。

提示与引导 T1虽然是一个降压变压器,但也等效于一个电感,再加上串联于电路中的电容器C1,这两个元件实际上组成了一个LC串联谐振电路,因此图2-13所示的电路可称为LC串联谐振型变换器。半桥电路的两个开关管交替导通与截止,即推挽工作。由于半桥电路采用的是推挽工作方式,为了确保两个开关管导通时的电流平衡,二次侧需采用全波整流方式,这一点是半桥谐振式开关电源与单管开关电源不同的地方。

如果在LC串联谐振电路中再串联一个电感L1,如图2-14所示,其谐振电路则由两个电感(L)和一个电容(C)组成,这种电路便称为LLC谐振电路。采用这种电路的变换器称为LLC谐振变换器,或称LLC谐振型输出电路。LLC谐振型变换器的出色优点有:在整个负载范围(包括轻载)下都是以ZVS(零电压开关)条件工作,从而实现高效率;元件的关断电流能控制在最小值,进而减小了元件关断损耗;电磁兼容性能好,抗干扰能力强;在输入电压变化范围较大时,仍能实现输出电压的稳定调节。

图2-14 LLC谐振变换器原理示意图

半桥谐振式开关电源可由电源控制芯片+开关管构成,也可由电源厚膜块构成。半桥谐振式开关电源中的电源控制芯片为双端电源控制器,属于LC谐振模式控制器,常用的型号有DLA001、L6598D、L6599、NCP1395、NCP1396、SSC9502S、SSC9512等。常用的半桥谐振式电源厚膜块有FSFR2000、FSFR1700等。

3.开关电源厚膜电路

开关电源厚膜电路也叫开关电源模块(简称电源模块),它是一种集成了PWM控制电路和大功率开关管的复合电源芯片。这种集成电路内部一般都包括基准电压源、振荡器、PWM控制器、RS触发器、驱动级、大功率MOSFET开关管以及过电流、过电压、欠电压、过热保护等电路。开关电源厚膜电路能直接驱动外接变压器,由于其集成度高,它的外围电路简单,且产品的一致性好,并且可靠性更高。采用开关电源厚膜电路使开关电源的设计、制作和维修更加方便。因此,液晶彩电开关电源中广泛运用了开关电源厚膜电路,尤其是副电源电路。

提示与引导 应用于液晶彩电的开关电源厚膜电路型号繁多,一般副电源应用小功率的,主电源应用大功率的。副电源常用的开关电源厚膜电路有FSQ0265R、FSQ0465、FSGM300N、VIPer22A、ICE2A165、NTY264、NTY277PN、STR-A6059H、STR-A6159M等。主电源常用的开关电源厚膜电路有FSQ0765、FQSC1565、FSFR1700、FSFR2000等,其中FSFR1700、FSFR2000属于半桥谐振式电源厚膜电路。由于电源厚膜电路内含功率较大的开关管,工作时易发热,因此安装时应安装散热片,并涂上硅脂。