电路分析：副电源的作用及PFC与PWM控制器电路设计

JSK3220(晶辰)型电源板电路如图3-47所示。

图3-47 JSK3220(晶辰)型电源方案电路原理图

1.副电源和待机控制电路

副电源由电源控制芯片IC12(LD7550-B)、开关管Q13、开关变压器T2、光耦合器IC4、三端误差放大器IC6等构成。副电源用来产生5V电压,为主板的微控制器电路供电,并为PFC与PWM组合控制器TDA16888提供VCC工作电压。副电源在电源板输入市电后就会进入工作状态。

(1)LD7550-B的实用维修资料

LD7550-B是一种低功耗、低启动电流、绿色节能模式的PWM控制器,芯片内部集成了振荡器、稳压控制电路、斜坡补偿、电流检测前端峰值屏蔽等功能电路,它所需要的外部元器件非常少。LD7550-B引脚功能和维修参考数据见表3-21。

表3-21 LD7550-B引脚功能和维修数据

(2)功率变换

市电整流滤波后产生的脉动直流电压(待机为310V,开机约为210V)送到副开关电源,再经D17整流、C33滤波产生约310V的直流电压。该电压分为三路:一路经开关变压器T2的①-②绕组送到MOSFET开关管Q13的D极;另一路经R64、R65、R66、R75对⑤脚外部的C44充电,向LD7550-B的⑤脚提供VCC启动电压,当C44充电到一定值时,LD7550-B启动工作,从⑥脚输出脉宽可控的矩形脉冲,控制开关管Q13工作在开关状态。Q13工作后,在开关变压器T2的③-④反馈绕组上感应的脉冲电压经D29整流、R77限流、C44滤波后,产生14V左右直流电压,将取代启动电路,为LD7550-B的⑤脚供电。

T2的⑤-⑥辅助绕组上感应电压经D30、C36整流滤波、R73限流降压后产生约15V的VCC1电压,经开/关机控制电路中的Q1控制后,为主开关电源的控制驱动电路TDA16888提供VCC工作电压。T2的冷接地端⑪⑩-⑧绕组感应电压经DS12整流,CS26、LS9、CS27滤波,ZS5稳压后产生+5VSB电压,经连接器CON2输出,为微控制器电路供电。

(3)稳压控制

稳压控制电路由取样电路RS33、RS38,误差放大电路IC6,光耦合器IC4和IC12(LD7550-B)的②脚内部电路组成。

当电网电压升高或负载变轻时,副电源的+5VSB输出端电压升高,一路经RS32为IC4①脚提供的电压升高;另一路经RS33、RS38分压取样后,加到误差放大的路IC6的R端电压升高,经IC6比较放大后,使光耦合器IC4②电压下降,IC4内的发光二极管因导通电压增大而发光加强,内部光敏晶体管受光增强而导通增强,将LD7550-B的②脚电压拉低,经LD7550-B内部电路比较控制后,控制LD7550-B的⑥脚输出脉冲宽度变窄,开关管Q13导通时间缩短,副电源输出电压下降到正常值,达到稳压的目的。若副电源输出电压下降,则稳压过程相反。

(4)保护电路

LD7550-B的④脚内部设有电流检测电路,一是对MOSFET开关管Q13的源极电阻R76上端的电压进行检测,以实现过电流保护功能;二是通过R61、R62、R63、R74对市电整流滤波后在C33上端形成的约310V电压进行检测,以实现市电过电压保护功能。

开关管Q13源极(S)的电阻R76作为过电流取样电阻。当负载短路等原因引起Q13源极的电流增大时,R76上的电压降增大,LD7550-B的④脚电压升高,当④脚电压上升到保护启动阈值时,LD7550-B关闭⑥脚PWM脉冲输出,实现过电流保护。

(5)开/关机控制电路

开/关机控制电路由运算放大器IC11A,晶体管QS1,光耦合器IC2和主开关电源一次电路的Q1组成,对副电源向主电源驱动控制电路IC1(TDA16888)提供的VCC电压进行控制。

开机时,主板上的MCU输出的ON/OFF信号为高电平,通过连接器CON3的⑦脚送到电源板,加到误差放大器IC11的②脚电压为高电平,IC11的①脚输出低电平,PNP晶体管QS1导通,光耦合器IC2的发光二极管发光,光敏晶体管导通,进而控制PNP晶体管Q1导通,由副开关电源产生的VCC1电压经过Q1可以加到TDA16888的⑨脚,PFC电路和主开关电源启动工作,向液晶彩电负载电路供电,整机进入开机收看状态。

遥控待机时,ON/OFF信号为低电平,加到误差放大器IC11的②脚电压为低电平,IC11的①脚输出高电平,晶体管QS1截止,光耦合器IC2的发光二极管不能发光,光敏晶体管不导通,进而控制Q1截止,切断了TDA16888的⑨脚VCC电压,PFC电路和主开关电源停止工作,整机进入待机状态。

2.PFC电路

该电源的PFC电路由TDA16888的一部分与驱动电路Q3、Q5,大功率MOSFET(开关管)Q2、Q7和储能电感L2等元器件组成。

(1)TDA16888的实用维修资料

TDA16888是英飞凌(Infineon)公司推出的高性能PFC和PWM二合一电源控制器,其内置的PFC控制器和PWM控制器可以同步工作。TDA16888由PFC和PWM控制器两部分组成。PFC控制器主要包含有电压误差放大器、乘法器、电流放大器、3组电压比较器、3组运算跨导放大器、RS触发器和PFC输出驱动器等电路。PWM部分主要包括振荡器(与PFC共用)、电压比较器、RS触发器和PWM图腾柱(即推拉式)栅极驱动器等单元电路。此外,TDA16888内部还设置有过电压、欠电压、峰值电流限制、过电流、断线掉电等完善的保护功能,其引脚功能和维修数据见表3-22。

表3-22 TDA16888引脚功能和维修数据

(续)

(2)校正过程

二次开机后,开/关机控制电路Q1导通,从副电源提供的VCC电压加到TDA16888的⑨脚,TDA16888得到启动电压后,内部电路开始工作,从⑧脚输出PFC激励脉冲,经由Q3、Q5推挽放大后,驱动两个并联的开关管Q2、Q7处于开关状态。当PFC驱动信号为高电平时,Q5截止,Q3导通,则Q2、Q7的G极为高电平,Q2、Q7导通。此时,由CX4两端的电压经电感L2、Q2和Q7的D、S极到地,形成回路,在储能电感L2中储存能量。当PFC驱动信号为低电平时,Q5导通,Q3截止,则Q2、Q7的G极为低电平,Q2、Q7截止。此时,由BD1、CX4整流滤波后的电压经电感L2、D4、C3到地,对C3充电,同时,流过电感L2的电流呈减小趋势,电感两端必然产生左负右正的感应电压,这一感应电压与BD1、CX4整流滤波后的直流分量叠加,在滤波电容C3正端形成380V左右的直流电压。这样,经过该电路的控制,不但提高了电源利用电网的效率,而且使得流过L2的电流波形和输入电压的波形趋于一致,从而达到提高功率因数的目的。

(3)稳压控制(www.xing528.com)

TDA16888的⑪⑰脚是PFC电压反馈取样输入端,PFC输出端C3上端的380V电压经R14、R11、R6、R2与R38分压得到的电压送到⑪⑰脚(F点);TDA16888的⑪⑲、⑪⑳⑩脚是PFC电压保护检测输入端,PFC输出端C3上端的380V电压经R15、R13、R7、R3与R57分压得到的电压送到⑪⑲脚(J点),经R16、R12、R8、R4与R34分压得到的电压送到⑪⑳⑩脚(G点)。TDA16888的①脚是市电取样输入端,市电整流滤波后CX4两端脉动电压经P点和R1、R5、R32、R33降压后送入①脚。TDA16888的④脚是PFC电流检测输入端,R21是PFC电路电流负反馈电阻,其两端电压经Z点和R37送入④脚。如果负载电流或市电电压发生变化,TDA16888内部根据这些参数进行对比与运算,自动调整输出端⑧脚脉冲占空比,维持输出电压的稳定。在一定的输出功率下,当输入电压降低,TDA16888的⑧脚输出的脉冲占空比变大;当输入电压升高,TDA16888的⑧脚输出的脉冲占空比变小。在一定的输入电压下,当输出功率变小,TDA16888的⑧脚输出的脉冲占空比变小;反之,控制过程相反。

(4)保护电路

过电压、欠电压保护电路:TDA16888的⑪⑲脚内部设有电压检测电路,当输入到⑪⑲脚的电压过高或过低时,TDA16888都会立即关闭PFC和PWM脉冲输出,达到保护的目的。

过电流保护电路:TDA16888的⑥脚内部设有电流检测电路,⑥脚的电压取自R21的上端,R21的电压降反映了PFC电路电流的大小,当R21两端的电压降过大时,TDA16888都会立即关闭PFC和PWM脉冲输出,达到保护的目的。

另外,TDA16888的⑪⑰脚还接有以Q12为核心构成的市电欠电压检测电路。市电正常时,市电整流输出脉动直流电压(VAC)经R54、R55、R56与R72分压,分得电压为31V左右,Z3反向击穿,从而使Q12导通,将R59接在TDA16888的⑪⑰脚与地之间,即R59参与分压;市电过低时,Z3将截止,Q12截止,R59断开,对TDA16888的⑪⑰脚的PFC反馈电压产生影响而保护。

3.主电源

JSK3220电源板中主开关电源由TDA16888的一部分与驱动电路Q8、Q9,输出大功率开关管Q4、Q10和开关变压器T1等元器件组成,可提供+24V和+12V的电压。

(1)功率变换

遥控开机后,开/关机控制电路中的Q1导通后,将副电源提供的VCC电压加到驱动控制电路TDA16888的⑨脚,TDA16888启动工作。其中PFC电路首先工作,输出+380V的PFC电压(图上标为VDC)加到主开关电源大功率MOSFET开关管Q4的漏极。PFC电路工作后,TDA16888的PWM控制部分工作,从⑪⑩脚输出PWM驱动信号,经Q8、Q9推挽放大后,分成两路:一路经R87、D28驱动Q10;另一路经C2、T3变压器耦合后,经C4、R28驱动Q4。

当TDA16888⑪⑩脚输出的PWM为高电平时,Q8导通,Q9截止,Q8、Q9发射极输出高电平信号,控制开关管Q10导通;同时,信号另一支路经C2到T3的一次绕组,T3二次绕组两端经C4、R28接在Q4的G、S两端,G、S两端处于正向偏置,Q4导通,此时开变压器T1存储能量。

当TDA16888⑪⑩脚输出的PWM为低电平时,Q8截止,Q9导通,Q8、Q9发射极输出低电平信号,控制开关管Q10截止;同时,信号另一支路经C2到T3,控制Q4也截止,于是开关变压器T1通过二次绕组释放能量。

主开关电源属于双管正激式开关电源,变压器T1一次侧开关管和变压器二次侧整流二极管DS2~DS5(均为双肖特基二极管)内画成水平的那只二极管同时导通、同时截止,开关变压器起到功率传递作用。

当T1的①-⑥绕组产生①端为正、⑥端为负的感应电压时,其⑪⑭、⑪端同时输出正电压,⑪⑭端通过DS2的①-②、DS4③-②、LS1A,经电容CS2、CS43、LS2、CS3滤波后产生+24V电压;⑪端通过DS3、LS1B,经电容CS32、CS7、LS6、CS8滤波后产生+12V电压。当T1的①、⑥端感应电压翻转为①端为负、⑥端为正时,其二次侧感应电压随之翻转,⑪⑭、⑪端为负电压,LS1A和LS1B感应电压都翻转为左负右正。此时,LS1A的感应电压经过负载、DS2③-②、DS2的①-②、LS1A的左端形成回路,继续给负载供电,因此DS2、DS4内画成竖立的那只二极管称为续流二极管;LS1B的感应电压经过负载、DS3③-②、DS5的①-②、LS1B的左端形成回路,继续给负载供电,DS2、DS4内画成竖立的那只二极管称也是续流二极管。+12V电压送到主电路板;24V电压为背光灯电路板供电。

提示与引导 LS1A和LS1B是组合成一体的器件,常称为12V/24V输出储能电感。

(2)稳压控制

稳压控制电路由取样电路RS14、RS19、RS18,误差放大电路IC10,光耦合器IC3和IC1(TDA16888)的⑪⑭脚内部电路组成。

当因市电电压升高或负载电流减小等原因造成主开关电源二次侧+24V或+12V电压输出端输出电压升高时,经RS14或RS19与RS18分压后,误差放大器IC10的R端电压升高,IC10的K极电压下降,流过光耦合器IC3中发光二极管的电流增大,其发光强度增强,则光敏晶体管导通加强,将TDA16888的⑪⑭脚电压拉低,被TDA16888内的PWM调制器处理后,使⑪⑩脚输出的脉冲宽度变窄,控制开关管Q4、Q10的导通时间缩短,主开关电源输出的电压下降到设定值。当负载变重引起输出电压下降时,稳压控制过程相反。

(3)过电流保护电路

TDA16888的⑪脚为PWM电流检测端,内部设有电流检测电路。⑪脚的电压取自过电流取样电阻R53的上端。当负载异常引起主开关电源末级的MOSFET开关管的源极电流增大时,R53两端的取样电压增大,通过R81加到TDA16888的⑪脚(D点)的电压增大,达到阈值电压时,TDA16888内部保护电路启动,关断⑪⑩脚PWM脉冲输出,Q4、Q10停止工作,避免Q4、Q10过电流损坏,实现过电流保护。

(4)模拟晶闸管保护电路

JSK3220电源板在主开关电源的二次侧以QS3、QS2组成的模拟晶闸管保护电路,通过开/关机控制电路的光耦合器IC2和晶体管Q1对主开关电源驱动控制电路TDA16888的⑨脚VCC电压进行控制。

模拟晶闸管电路QS3的基极外接由电压比较器IC17A、IC17B、IC11B(LM393)组成的+12V、+24V过电压、过电流保护检测电路。正常时QS3的基极为低电平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QS3的基极送入高电平触发电压,模拟晶闸管电路被触发导通,将开/关机控制电路光耦合器IC2的①脚电压拉低,与开关机控制相同,光耦合器IC2的发光二极管不能发光,光敏晶体管不导通,进而控制Q1截止,切断了TDA16888的⑨脚VCC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。

1)LM393的实用维修资料。LM393是由两个独立的、高精度的电压比较器组成的集成电路,失调电压低,最大输入失调电压为±3mV。LM393引脚功能和维修参考数据见表3-23。

表3-23 LM393引脚功能和维修数据

2)过电压保护电路。过电压保护电路由稳压二极管ZS3、DS18、ZS2、DS17、DS16和IC11B组成,对主开关电源输出的+24V或+12V电压进行检测。

输出电压正常时,IC11B的⑤脚电压低于⑥脚电压,⑦脚为低电平,对模拟晶闸管电路不产生影响。当+24V输出电压超过一定值时,稳压管ZS3反向击穿,通过DS18、DS16加在IC11B的⑤脚电位升高。当+12V输出电压超过一定值时,稳压管ZS2反向击穿,通过DS17、DS16加在IC11B的⑤脚电位升高。IC11B的⑤脚电压高于⑥脚电压,⑦脚输出高电平,通过DS15向模拟晶闸管电路QS3的基极送入高电平触发电压,模拟晶闸管电路被触发导通。此时,光耦合器IC2A①脚钳位在低电平,于是整机进入待机保护状态。

3)过电流保护电路。+12V过电流保护电路由电压比较器IC17B及其外围电路组成,+24V过电流保护电路由IC17A及其外围电路组成,对主开/关电源输出的+12V或+24V电流进行检测。用电流互感器检测二次侧的输出电流(负载状况)。通过二次绕组将一次侧的电流衰减到原来的1/100,并将衰减后的电流转换成电压信号,此电压与参考电压进行比较,当检测电压高于参考电压时,电压比较器输出高电平,二极管DS10(DS11)导通,向模拟晶闸管电路QS3的基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。

副电源输出的+5VSB电压一是向IC17的⑧脚提供工作电压;二是通过IC8稳压后,经RS88、RS53分压向IC17B的⑥脚提供偏置电压;三是通过IC9稳压后,经RS56、RS60分压向IC17A的②脚提供偏置。

+12V过电流保护通过电流互感器LS4进行取样,经DS7整流,RS83、RS85分压,CS16滤波产生取样电压,经DS6送到IC17B的⑤脚。+12V电流正常时,IC17B的⑤脚电压低于⑥脚电压,⑦脚输出低电平,对模拟晶闸管电路不产生影响。当+12V电流异常时,取样电压升高,致使IC1B的⑤脚电压升高,IC17B的⑤脚电压高于⑥脚电压,IC17B的⑦脚电压翻转,输出高电平,通过DS10向模拟晶闸管电路QS3的基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。

+24V过电流保护通过电流互感器LS3进行取样,经DS9整流,RS82、RS84分压,CS17滤波产生取样电压,经DS8送到IC17A的③脚。+24V电流正常时,IC17A的③脚电压低于②脚电压,①脚输出低电平,对模拟晶闸管电路不产生影响。当+24V电流异常时,取样电压升高,致使IC17A的③脚电压升高,IC17B的③脚电压高于②脚电压,IC17A的①脚电压翻转,输出高电平,通过DS11向模拟晶闸管电路QS3的基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。