电源二次侧保护电路设计优化方案

1.二次侧保护电路的结构特点、电路组成、电路形式

(1)二次侧保护电路的结构特点

液晶彩电的电源板,一般在开关电源二次侧的输出电路中也设有保护电路,有些只设有过电压保护电路,而有些则同时设有过电压、过电流保护电路,也有极少数同时设有过电压、过电流以及过热保护电路。

二次侧保护电路多采用四运算放大器LM324、双运算放大器LM358、四电压比较器LM339、双电压比较器LM393等。

(2)二次侧保护电路的组成

开关电源二次侧保护电路一般由保护检测电路和保护执行电路(也称为保护控制管)组成,如图2-47所示。保护检测电路对开关电源的输出电压、负载电流以及机内温度进行检测,产生保护触发电压。保护执行电路,往往由晶闸管或模拟晶闸管担任,但也有由晶体管担任的,如图2-48所示。

图2-47 二次侧保护电路组成框图

图2-48 三种常用的保护执行电路

a)模拟晶闸管 b)晶闸管 c)晶体管

保护检测电路主要有过电压检测电路、过电流检测电路以及过热检测电路三种,多路检测电路之间需采用隔离二极管进行隔离。

过电压保护检测电路一般采用直接取样方式,即过电压取样点直接设在开关电源的关键电压输出端,如主电源的+24V、+12V输出端,有少数也将+5VSB输出端设为了过电压取样点。最简单的过电压取样电路通常由稳压二极管(+24V检测大多采用27V的稳压二极管,+12V检测大多采用13V的稳压二极管,+5V检测大多采用5.6V的稳压二极管)和隔离二极管组成。有少数电源板,过电压检测电路还增加了一个运算放大器或电压比较器,对取样电压进行比较运算,产生保护触发电压,送保护执行电路。

过电流保护检测电路一般由过电流取样电阻和运算放大器(或电压比较器)构成。过电流取样电阻大多采用康铜丝,也有用滤波电感来兼任的。过电流取样电阻串联在开关电源的输出电路中,该电阻上的电压降与输出电流成正比,将该电阻两端的电压送入运算放大器(或电压比较器)进行比较运算,从而产生保护触发电压。

过热保护检测电路一般由负温度系数热敏电阻和一个比较器组成。图2-49所示是典型的过热保护检测电路,图中,NTC1为负温度系数热敏电阻,作为温度检测元件。在正常机内温度下,由于NTC1阻值较大,使得IC1-a②脚电压高于③脚电压,因此①脚输出低电平,对整个开关电源的正常工作无影响。如果机内温度升高至危险,NTC1的阻值变小,使③脚电位高于②脚电位,①脚输出高电平,使VD1导通,为保护执行电路提供触发电压,保护启动。只有当温度下降到安全后再重新开机,电源才能恢复工作。

(3)二次侧保护电路的电路形式

开关电源二次侧保护电路通常需要与一次侧电路联合动作,才能实现保护功能。主要有以下两种类型:

1)依托待机控制电路的保护电路。这类二次侧保护电路,与待机控制电路联合动作来实现保护功能。保护电路介入待机控制电路的位置一般是在开/关机光耦合器的二极管引脚,如图2-50所示。其基本工作原理是,在保护电路启动时,迫使待机控制电路动作,由开机状态变为待机状态,进入待机保护状态。大多数电源板采用这类保护电路,常被主电源所采用。

图2-49 过热保护检测电路(www.xing528.com)

图2-50 依托待机控制电路的保护电路结构示意图

图2-51 依托稳压控制电路的保护电路结构示意图

2)依托稳压控制电路的保护电路。这种保护电路与开关电源的稳压电路结合在一起,联合动作实现保护功能。保护电路保护电路介入点一般是在稳压光耦合器的二极管引脚,如图2-51所示(图中是在①脚介入的,但也有设计在②脚介入的)。其基本工作原理是,在保护电路启动时,迫使稳压光耦合器截止或饱和导通,从而使电源控制芯片(或电源厚膜电路)的FB引脚无反馈电压输入或输入最大,最终使电源控制芯片(或电源厚膜电路)内的振荡电路停振或关闭驱动脉动输出。

2.二次侧保护电路实例

康佳KPS+L200C3-01型电源板中,副电源的二次侧保护电路属于依托稳压控制电路的保护电路,主电源二次侧保护电路则属于依托待机控制电路的保护电路。该电源板的副电源二次侧保护电路在本章第四节中已进行过介绍,这里着重介绍主电源二次侧保护电路。

该电源板的主电源二次侧保护电路如图2-52所示,由Q951、Q954组成的模拟晶闸管保护执行电路,通过控制待机电路的光耦合器U902和晶体管QB901,对主开关电源厚膜电路和PFC控制芯片的VCC电压进行控制。

图2-52 康佳KPS+L200C3-01型电源板的主要电源二次侧保护电路

(1)保护执行电路

模拟晶闸管电路Q954、Q951为保护执行电路。Q954的B极外接两种保护检测电路:一是由ZD951、R966、D953和ZD952、R967组成的+12V、+24V过电压保护检测电路;二是由运算放大器U956A/B/C(LM324)组成的+12V、+24V过电流保护检测电路。正常时Q954的B极为低电平0V,当过电流、过电压保护检测电路检测到故障时,向模拟晶闸管电路Q954的B极送入高电平触发电压,模拟晶闸管电路被触发导通,将待机控制电路光耦合器U902的①脚电压拉低,与待机控制相同,光耦合器U902的发光二极管不能发光,光敏晶体管不导通,进而控制QB901截止,切断了VCC的供电电压,PFC电路和主开关电源停止工作,整机进入待机保护状态。

由于模拟晶闸管电路一旦触发导通,具有自锁功能,因此要想解除保护再次开机,必须关掉电视机电源,待副电源的5VSB电压泄放后,方能再次开机。

(2)过电压保护电路

过电压保护电路由ZD951、R966、D953和ZD952、R967、D953组成+12V、+24V过电压保护检测电路。输出电压正常时,+12V电压低于ZD951的稳压值13V,+24V电压低于ZD952的稳压值27V,ZD951和ZD952截止,对模拟晶闸管电路不产生影响。当+24V输出电压超过27V时,将稳压二极管ZD952击穿导通,通过R967、D953向模拟晶闸管电路Q954的B极送入高电平触发电压;当+12V输出电压超过13V时,将稳压管ZD951击穿导通,通过R966、D953向模拟晶闸管电路Q954的B极送入高电平触发电压,模拟晶闸管电路被触发导通,进入待机保护状态。

(3)过电流保护电路

过电流保护检测电路由+24V取样电阻RW951、+12V取样电阻RW952(RW951、RW952的接法见图2-36)和运算放大器U956A/B/C(LM324)的①~③脚、⑤~⑦脚、⑧~⑩脚及外围元器件组成,U956的①~③脚为+24V过电流比较放大器,U956的⑤~⑦脚为+12V过电流比较放大器,U956的⑧~⑩脚为+24V、+12V过电流保护电压翻转电路,输出端⑧脚通过D952、R968、R969与晶闸管Q954的B极相连接。U956的②脚、⑥脚反相输入端接电流检测电阻RW951、RW952左端的过电流取样24VC和12VC,U956的正相端③脚、⑤脚通过电阻接地。U956的⑨脚外接基准电压产生电路。

工作原理如下:U956内含4个相同的放大器,一个单元的比较器有两个输入引脚和一个出引脚,当正相输入引脚的电压大于反相输入引脚的电平时,在输出引脚会输出一个高电平;反之当正相输入引脚的电压低于反相输入引脚的电压时,输出引脚会输出低电平0V。

+24V和+12V电流正常时,输入到U956的反相端②脚、⑥脚电压与正相端③脚、⑤脚之间电位差很小,输出端①脚、⑦脚输出低电平,U956的正相输入⑩脚低于反相输入⑨脚基准电压,U956的⑧脚输出低电平,对保护电路晶闸管不产生影响;当+24V和+12V电流过大(超过设计值)时,过电流取样电阻RW951、RW952的电压降增大,左端电压24VC和12VC降低过多,输入到U956的反相端②脚、⑥脚电压与正相端③脚、⑤脚之间电位差拉大,输出端①脚、⑦脚输出高电平,经D951送到⑩脚,U956的正相输入⑩脚电压高于反相输入⑨脚基准电压,经过U956运算放大后,U956的⑧脚输出高电平,向模拟晶闸管电路Q954的B极送入高电平,模拟晶闸管电路被触发导通,进入待机保护状态。