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典型数字机开关电源原理详解
发布者: 发布时间:2018-10-29 阅读:106

荷兰飞利浦(Philips)公司于2000年推出的TEA1520系列单片开关电源,由于采用了先进的节能技术和制作工艺,因此被誉为“绿色芯片” (GreenChip)。TEA1520系列适用于电池充电器、电源适配器,或机顶盒、DVD、CD、CVCR(摄录像机)、电视/监视器的备用电源,并可作为PC机外部设备、便携式电子装置及家用电器中微控制器(MCU)的电源。此外,它还被应用到通信、网络等领域。
电源是卫星数字接收机的重要组成部分,也是数字机发生故障较多的部位。目前数字机多采用开关电源,从开关电源的发展过程看,已从单纯的分立元件发展为由控制集成块与场效应开关管为主要元件组成的开关电源,再发展到引脚极少的单片集成块构成的开关电源。其中采用分立元件的开关电源电路结构复杂,元件较多,增加了生产成本,目前已很少采用。最典型的由控制集成块与场效应开关管组成的开关电源是由UC3842或TDA4605与场效应开关管构成,这种电路流行的时间较长,在资料中也较容易查找到电路图等相关资料。近年来控制型集成电路日趋成熟,控制功能更趋完善,且电路简单,应用也越来越广,比较典型的专用电源控制集成块主要有TOP系列、XX0380R、TEA1523三种。相对而言,介绍这三类集成电路的资料较少,偶见报刊有相关数字机电源及检修方面的介绍,但限于篇幅等原因介绍得也不够详尽,原理分析得也不够透彻,数字机生产厂家一般也不提供电路图,这无疑给维修者带来了不便。从根本上说,透彻理解电路工作原理是迅速排除故障的基本保证, 维修人员常根据故障现象来分析故障的可能部位和原因,有时为了修机不得不查阅大量的报刊,但也不一定能查到所需的资料。为此,笔者收集、整理了这三类集成电路和由其组成的开关电源的相关资料,并详细分析了开关电源的组成原理,希望能对维修者有所帮助。当然,在资料收集、整理过程中难免会有错漏之处,敬请广大维修人员指正。
采用TOP系列的开关电源
 
TOP系列芯片是美国Power公司研制的离线式脉宽调制单片开关电源集成电路。因其设计先进,外围电路简单,使用灵活,一经投放市场就成为了商家开发设计开关电源的优选集成电路。在数字机中常用的主要有第二代产品(以下简称TOP-Ⅱ系列)和第三代产品(以下简称TOP -FX系列)。
1、采用TOP-Ⅱ系列芯片的开关电源
TOP-Ⅱ系列芯片采用高压CMOS电路,将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成于芯片内,真正实现了高压MOSFET与控制电路的单片集成化,使器件功耗显著降低。以该芯片为核心组成的开关电源可适应85-265V的宽交流电压输入范围。TOP-Ⅱ系列芯片只有三个引出脚,外围电路简单,自身功耗小,效率高且内部保护功能完善,因此该系列芯片被广泛应用于150W以下的中小功率开关电源中。TOP-Ⅱ系列芯片有三种封装形式,数字机中常用的Y系列属TO-220封装,自带小型散热片,属典型的三端器件,其外形与78系列三端稳压块相似。Y系列共有TOP221-227Y七个型号,功率随后缀数字的增大而增大,而其余参数则基本相似,因此在维修时可用后缀数字大的代换后缀小的型号。其内部框图如图1所示,由框图可知其内部主要包括10个部分,即:控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整/误差放大器、脉宽调制器、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断/自动重启电路、高压电流源等部分。该芯片有C、S、D三个引脚,其中①脚为控制端C,作用是利用控制电流的大小来调节占空比,与内部并联调整/误差放大器相连,为芯片提供正常工作所需的偏流,作为电源支路和自动重启/补偿电容的连接点,决定启动频率,对控制回路进行补偿。②脚为源极S,与内部功率管的源极相连,作为内部电路的公共地端。③脚为漏极D,与内部功率管的漏极相连。
在数字机中常用的型号有TOP223Y(如火箭数码RTS01FTA、锦电JBS-627E等机型)、TOP224Y(同洲CDVB-891B)等。下面以同洲CDVB-891B开关电源为例叙述由TOP224Y组成开关电源的工作原理。电路如图2所示。
 
220V交流电源经电源开关K1、保险管F1后进入过压保护电路和抗干扰电路,其中RV1为过压保护元件,当交流电压超过设定值时RV1击穿进而使保险管 F1熔断,起到保护开关电源的目的。抗干扰电路由C1、L1、C2组成,一方面滤除市电中的干扰杂波,另一方面抑制开关电源本身产生的高频尖峰脉冲电压进入市电网干扰其他电器。经抗干扰电路处理后的市电经整流滤波后得到约300V的直流电压。电路中由VD5(钳位二极管)、VD13(阻塞二极管)组成尖峰脉冲抑制电路,主要用于抑制开关变压器T1自耦产生的尖峰脉冲电压,以保护U1内开关管不被击穿。整流滤波后得到的300V直流电压经开关变压器T1①- ②绕组加至开关电源集成电路U1的③脚(漏极D),其内部电路完成开关电源启动过程。当开关电源正常启动后,开关变压器T1③-④绕组产生的感应脉冲电压经VD6整流、C8滤波并经光电耦合器PC1(PC817C)后加到开关电源集成块的U1的①脚(控制端C),为内部芯片提供正常工作所需的偏流。开关变压器T1次级各绕组感应的交流脉冲电压分别经整流、滤波、稳压后得到不同的电压,为数字机各部提供电源。其中⑦-⑧绕组感应的交流脉冲电压还为PC1内部发光管提供工作电源,同时经取样电阻R8、R9分压后加至精密取样集成电路U2(TL431)的R极,为其提供取样电压。
当外因使T1次级各绕组输出电压上升时,经R8、R9取样的电压升高,U2的R极电压升高,经其内部电路处理后自动调低K极电位,光电耦合器PC1的发光管负极电位降低,其电流增大,亮度增强,导致PC1内部光敏三极管c、e极内阻减小,加至U1的控制端C极,控制电压升高,经U1内部电路处理后自动降低开关管的导通量,使T1各绕组感应电动势下降,最终达到使输出电压稳定的目的。当T1次级输出电压过低时,其稳压过程与上述相反。
2、采用TOP-FX系列的开关电源
TOPSwitch-FX(以下简称TOP -FX)系列是美国Power公司研制的高性价比五端单片开关电源集成电路,属TOP系列第三代产品,该系列产品除具备TOP -Ⅱ系列的全部优点外,增加了软启动功能,使用时只需改变开关频率选择端和多功能端的外部接线,即可实现14种控制功能。从外部设定极限电流时,只需改变多功能端外接电阻的阻值。为降低传导噪声干扰,专门增加了频率抖动功能,开关频率能以250次/s的速率抖动,抖动偏移量f=4kHz,将开关频率限制在很窄的波段内抖动,能降低130 kHz固定频率的高次谐波干扰。图3是TOP -FX系列的内部框图。
TOP -FX系列可划分为三种类型,共9种型号,其中后缀Y表示TO-220-7B 封装,主要有TOP232Y、TOP233Y、TOP234Y,常被数字机开关电源所采用。该产品有5个引脚,分别为控制端C、多功能端M、源极S、开关频率选择端F、漏极D,与TOP-Ⅱ相比多了多功能端M和开关频率选择端F两个引脚。其中多功能端M的主要功能有:
(1)线路过压和欠压保护;
(2)利用线路电压前馈来降低占空比;
(3)从外部设定芯片的极限电流;
(4)遥控(也称远程通/断);
(5)外同步。
将开关频率选择端F接源极S时,开关频率f=130KHz,接控制极C时,开关频率变为f /2=65kHz。如将多功能端M与开关频率选择端F均接源极S时,TOP -FX即工作在三端模式下,与TOP-Ⅱ相似。从此可见,TOP -FX比TOP-Ⅱ多了一些功能,这些功能可通过外部的不同连线来实现,但总的来说其原理和TOP-Ⅱ系列是相似的,因此在此就不多述了。在数字机中常用的型号有TOP233Y(如长虹DVB-S2000)、TOP234Y(如同洲CDVB-3188A)等。图4所示电路是TOP234Y集成电路在同洲 CDVB-3188A开关电源中的典型应用。


采用XX0380R的开关电源
XX0380R(XX多为5L、IM、IL等字母) 是电流模式控制的单片开关电源集成电路,内含晶振时钟电路、电流源钳位取样选通电路、5V稳压电路、内部偏置电路、逻辑电路、限流电路、过压、过流、欠压和过热保护电路等,其内部组成框图及引脚如图5所示。由XX0380R 构成的开关电源稳压控制方式与传统的PWM(脉宽调制)控制不同,并不是调整每一个周期的脉冲宽度,而是利用时钟信号的每个周期之初对反馈信号采样结果, 接通或断开功率MOSFET管输入的驱动信号方式执行开关周期来调节输出电压,实现稳压控制。由其构成的开关电源具有适应市电范围宽、效率高、功耗低、辐射少等优点,因而近年来,不少品牌的数字机都采用了由XX0380R组成的开关电源,如中大WS-9618、金泰克KT-D8320、海克威HIC- 2000H、通达TDR-6000S、迪加通DT410、CP7885免卡机等机型。其引脚功能为:①脚(GND)接地,②脚(D)接内部开关管漏极,③ 脚(VCC)电源,④脚(ERR)稳压误差信号反馈输入。其内部功能电路主要分为以下几部分:
 
1、供电与5V稳压及偏置电路:当提供给该集成电路③脚的外加工作电压达到14V时,内部稳压器输出5V电压,供时钟振荡电路与内部偏置电 路产生各种偏置电压,IC内部各电路开始工作。
2、时钟电路:时钟振荡产生的50KHz信号,经PWM调制处理产生最大为67%的额定占空比时钟信号(DMAX),送往MOSFET管,在一个周期内的67%为导通,其余时间截止。此额定占空比时钟被送往MOSFET管反复使用,故称之为开关周期信号。
3、电流源钳位取样选通电路: 该电路由电流源钳位、比较取样逻辑变换、开/关控制等电路组成,用来调节输出电压,实现稳压。其中电流源钳位、比较取样电路用来检测引入其④脚反映输出电压状态的反馈信号;而逻辑变换与开/关控制等构成的选通电路,利用晶振时钟信号每个周期的上升沿对引入④脚状态检测结果取样与逻辑性变换,以判定是否接通 /断开(即选通)该取样开关周期,送往MOSFET功率管。引入④脚的输入电流被带5μA滞回的1mA电流源钳位。在晶振时钟信号每个周期的上升沿对该检测电路输出取样与逻辑变换,结果若为高电平,则此开关周期接通MOSFET功率管,并按67%占空比进行工作,否则关断MOSFET功率管,保持截止而跳过此周期。在下一个时钟周期之初对该检测电路输出状态进行取样,以判定是否执行下一个开关周期。
4、保护电路。XX0380R内部的MOSFET功率管一般工作在限流模式,其最大导通时间被DMAX所限制,若导通电流的峰值超过2.15A时,过流保护电路动作,迫使选通与门关闭,实现过流保护。在图6所示的海克威HIC-2000H数字机开关电源中,当市电电压升高或降低时,会导致T3③-④绕组感应电势升高或下降,经VD5、C5整流滤波后,使U1③脚电压发生高低变化,当超过过压保护的阈值24V时,保护电路启动,将选通与门关闭,切断时钟与 MOSFET管通路,实现过压保护。当使U1③脚电压低于9V时,内部欠压保护电路启动,将选通与门关闭,实现欠压保护。该IC内部设有热关断电路,检测管芯结温,门限值设为160℃。当管芯结温升至超过此门限值时,将关闭选通门,实现过热保护。
 
下面以海克威HIC-2000H数字机为例,分析由XX0380R 组成的开关电源的工作原理。
市电通过C1、T1组成的抗干扰电路将电网中的干扰信号或外界串入的高频噪声滤除掉,再经VD1-VD4桥式整流和C2滤波后,产生约300V的直流电压。该电压一路经开关变压器T3①-②绕组加到U1②脚(即漏极D),另一路通过R1、R2与C5构成的启动电路,对C5充电,使U1③脚电压上升,当上升到14V时,其内部稳压电路与偏置电路产生各功能电路所需的工作电压,内部各功能电路开始工作,晶振电路输出额定占空比的时钟信号,在每个周期上升沿接通功率管(MOSFET),在高电平期间而导通,在其低电平期间而截止。一旦一个周期开始,MOSFET管总是完成整个开关周期,以便在T3各绕组产生高频脉冲信号,在次级经整流滤波输出数字机所需的各组直流电压。T3③-④绕组产生的感应电势,经VD5整流,C5滤波产生14V的直流电压提供给U1③ 脚,以维持U1的正常工作。在T3的①-②绕组电路中,由C4、R4、VD6组成尖峰脉冲电压钳位电路,抑制开关变压器关断时产生的尖峰脉冲电压,以保护 U1内部开关管(MOSFET)D、S极不被击穿。
 
稳压过程:该开关电源采用由R7、R9、RT2与U3构成的误差取样放大电路,直接从T3次级输出的3.3V电压上取样,其误差信号经光电耦合器U2将反映输出直流电压状态的反馈信号引入U1④脚,当输出电压超过目标稳压值时,光耦中的发光二极管的发光亮度增强,光敏管的导通变深,将U1④脚内置电流源下拉超过钳位额定门限值,则比较器翻转,产生一个置“0”触发信号,SR触发器翻转成0态,VQ输出的电平将与门关闭,切断时钟信号送往MOSFET管的通路,MOSFET管则不执行该时钟开关周期,处于截止状态,则输出电压开始下降,U1④脚下拉电流开始减少。在未恢复之前,时钟每个周期之初对 U1④脚下拉电流状态进行取样,结果总是将与门关闭,MOSFET管一直处于截止状态,直到输出电压下调到目标值为止,利用时钟上升沿对U1④脚取样结果的同时将SR触发置1,选通与门开,接通MOSFET管,执行开关周期,进行能量补充。当输出电压低于目标值时,经U3误差比较,由U2耦合引入U1④ 脚,其下拉电流无法使比较器产生置“0”信号,选通与门总是开,MOSFET管执行开关周期,输出电压(因占空比为67%)必然开始回升,直到输出电压回升到额定值,再利用时钟开关周期的上升沿对反映输出电压状态的反馈信号输入端U1④脚取样而进入新的稳压调整控制过程。
采用 TEA1523系列的开关电源
TEA 1523是荷兰飞利浦公司推出的低功耗、节能型单片开关电源集成电路,属于电压控制型反激式开关电源。适应80-276V的交流电压。该芯片内置启动、振荡和过流保护、短路保护、输入过压保护和过热保护等电路,除此以外还有独特的退磁保护与防静电能力。其内部框图如图7所示。各引脚功能介绍如下:
①脚(VCC)工作电源端。②脚(GND)公共地。③脚(RC)外接振荡电阻和振荡电容,用于设定开关频率。④脚(REG)反馈电压(VREG)输入端。 ⑤脚(AUX)辅助绕组的电压输入端,该端所接的辅助电阻(也称退磁电阻)RAUX,可对高频变压器起到退磁作用。⑥脚(S)内部功率开关管 (MOSFET)的源极引出端。⑦脚(NC)空脚。⑧脚(D)内部功率开关管(MOSFET)的漏极引出端。
下面以东仕IDS-2000F数字机为例,介绍由TEA 1523构成开关电源的工作原理。电路图如图8所示。
原理分析:交流市电经电源开关、保险管后进入由C1、LF1构成的抗干扰电路,经抗干扰电路处理后的交流电压经VD1-VD4整流、C2滤波后得到约 300V的直流电压,该电压经保护电阻RT1、开关变压器的①-②绕组后加至开关电源集成电路U1(TEA 1523)的⑧脚,其内部启动电路、振荡器得电后开始工作,完成开关电源的启动过程。振荡器产生的振荡信号通过驱动电路使内部开关管工作在开关状态。当开关电源正常启动后,其③-④绕组感应的交流脉冲电压经VD7整流、R13限流、C5滤波、VD5稳压后供给TEA 1523①脚作工作电压,同时也取代内部的启动电路,使电源能持续工作下去。电路中由R4、C6、VD6组成尖峰脉冲电压钳位电路,以保护TEA 1523不被击穿损坏。TEA1523的振荡频率由其③脚外接阻容元件R3、C3决定。电路中R5、R6为过流检测电阻,当开关电源发生短路故障时,⑥脚电压大于设定值,其内部比较器输出高电平,强迫MOSFET关断,电路处于过流保护状态。过热保护原理是:当TEA 1523芯片结温达到160℃时,内部电路自动关断MOSFET,达到过热保护的目的,TEA 1523 ⑤ 脚外接电阻R12主要用于对高频开关变压器进行退磁处理。
稳压过程:当开关变压器次级电压因故升高时,连接取样电阻R14的5V电压也随之升高,该电压经取样电阻R14后加至精密取样集成电路U3的R极,R极电压升高时,其K极电位降低,光电耦合器U2内部发光管亮度增强,使内部光敏三极管c、e极的内阻下降,开关电源集成电路U1(TEA 1523)的反馈端④脚电压升高,该脚电压升高时,其内部电路可自动调低PWM脉冲宽度,使开关管导通时间减少,开关变压器次级感应电压降低,最终达到使输出电压趋于稳定的目的。当开关变压器次级电压降低时,其稳压过程与上述过程相反。

 
 

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