彩色电视机并联型开关稳压电源设计.doc

1 绪论电视机直流稳压电源的质量直接影响图像与伴音的质量，所以对直流稳压电源的设计、调整与测试都有较高的要求。本毕业设计为了应对电视机直流电源的较高要求选择了彩色电视机并联型集成电路开关稳压电源设计为题进行研究，开关稳压电源与传统的线性稳压电源相比具有体积小、重量轻、效率高等优点，已成为稳压电源的主流产品,并且参考了大量文献资料,对直流稳压电源的基本要求可概括为：（1）有良好的稳压特性：电网交流电压在一定范围内变化或电源负载的变化时，输出的直流电压应基本不变。（2）纹波电压小：输出的交流电源经整流滤波和稳压后，应是纯净的直流电压，要求其上叠加的50Hz与100Hz残留波纹越笑越好。（3）电源内阻小：内阻越小，负载能力越强，即输出电压受负载变动的影响就越小。同时由于电源内阻小，亦能减轻和避免各单元电路之间通过电源内阻的相互耦合串扰。一般要求电源内阻应小于0.3 。（4）受环境温度影响小：由于电源电路发热部件多且功耗大，使其周围温升大，影响半导体器件的特性。设计不当将影响整机的正常工作，甚至可能使元器件损坏。开关型稳压电源按开关调整管的连接方式分类可分成串联型和并联型，两类电路在工作原理上基本相同，电压调整范围和工作效率也大致相同。并联型电路在可靠性和安全保护方面较串联型电路要好一些，所以目前多采用并联型开关稳压电源.1.1 并联型开关稳压电源组成开关型稳压电源按开关调整管的连接方式分类可分成串联型和并联型，两类电路在工作原理上基本相同，电压调整范围和工作效率也大致相同。并联型电路在可靠性和安全保护方面较串联型电路要好一些，所以目前多采用并联型开关稳压电源，大屏幕彩色电视机的开关稳压电源和中小屏幕彩电开关电源比较有许多不同。例如，电源供给功率增大，要特别重视提高电源效率；一般要求对市电的适应范围要为110260V，频率50HZ或60HZ均适用，为了和录像机、影碟机，卫星接收机等AV设备连接，要求机芯为冷底板设计；具有良好的过流、过压、短路等保护功能，使用更安全可靠；开关电源工作频率高于行频一般可在1676KHZ，这样可减小开关变压器的体积和滤波电容的容量。 图1.1是并联型开关电源的方框图，交流市电经整流滤波后加到高频脉冲变压器初级后并接在输入端。在行频脉冲作用下，开关管周期性地导通截止使初级未稳压的直流电源变换成了行频矩形脉冲，由脉冲变压器偶合到次级，再经整流滤波后就获得直流输出电压。与串联型稳压电源类似，它也对输出取样，再与基准电压比较得出误差电压，经放大后去脉冲调宽度的方式调整输出电压的大小。图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1.1 并联型开关电源组成框图开关型稳压电源按其激励方式分类，可分成他激控制式和自激控制式。他激式电路需附加一个振动器来产生开关脉冲，开关脉冲作用于开关管使电源电路有输出，待电视机正常工作后可由行频脉冲作为开关脉冲，振荡，使开关稳压电源有电压输出，待电视机正常工作后可由行频脉冲作为开关脉冲，振荡器就可以停振。自激式电路是利用开关管、脉冲变压器等构成正反馈环路形成自激振荡，使开关稳压电源有电压输出，电视机正常工作时自激振荡受行频脉冲的同步，解决了开关电源的独立工作能力。自激式电源即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能自激振荡而有直流电压输出，这对电视机的维修与调整是较为方便的。开关型稳压电源按稳压控制方式来分，可分成脉冲宽度控制方式和频率控制方式两类。电视机中采用脉宽控制方式较多，其电源工作频率与行频同步（15625Hz），以改变开关管导通时间Ton的方法来调节输出电压使Uo稳定。频率控制方式则是保持开关管导通时间Ton（或截止时间Toff）不变，通过控制开关脉冲频率（周期），相应调节脉冲占空比使输出电压达到稳定。1.2 并联型开关稳压电源简述并联型开关电源是现在用得最多的电源,电脑显示器,彩电,电脑电源等均采用它,所以了解其工作原理,掌握其电路特点是每个电子人员所必需的. 图1.2 并联型开关基本电路图图1.2是并联型开关电源的最基本电路图,Q为开关输出管,T为脉冲变压器,D为整流二极管,C是滤波电容,R为负载电阻,因开关管Q与输入直流电压E1并接,所以属并联型开关电路,脉冲变压器耦合开关电路有正向激励和反向激励两种形式,正向激励方式-开关管导通期间,次级脉冲整流二极管也导通,而在截止期间,开关管Q与二极管D都截止.反向激励方式-开关管导通期间D截止,而Q截止期间D导通该电路的工作过程与行输出电路类似,开关脉冲信号加至晶体管Q的基极,当输入 脉冲为正时,Q饱和,此时初级线圈上的电压特性为上正下负,次级感应电压则是上负下正,D反偏截止,当Q基极输入负脉冲时,晶体管Q截止,Q的集电极电位上升为高电平,此时T的次级感应电压是上正下负,D正向偏置而导通,电容C充电,取得直流输出电压,T在这里可看作储能元件,当开关晶体管Q导通,但二极管D截止时,初级线圈储存能量,当Q截止时,T则释放能量,此时二极管D导通. 这里我们需要说明一个问题,当Q截止时,T的初级电流跃变为零,并失去回路,次级如何有电压输出?线圈的电流不是不能跃变的吗?这一问题我们可从能量不能跃变这一概念来理解,因电感中的能量是以磁能形成存在的,一般的电感只有一个绕组,而脉冲变压器有初,次级两个绕组,在开关晶体管Q从导通变为截止时的瞬间,初级线圈电流突变为零,而T便将能量转移到次级,这时二极管导通,次级线圈有感应电流产生,感应电流所产生的磁通与转换瞬间前的相同,而保持磁通量不变.输出电压有以下关系式:E2=E12/1Tc/T0,和是初次级匝数,Tc是晶体管导通时间,To是截止时间.为此我们可以通过控制Tc/To比使来调输出电压的高低.1.3 并联型开关电源工作原理脉冲变压器耦合并联型开关稳压电源在彩色电视机中应用较多，本节对这种电路作较详细的分析。其基本电路组成如图1.3所示，V的开关调整管；T是脉冲变压器（又称为储能变压器），由于工作频率较高，故采用铁氧体材料的铁芯，同名端如图中所标；为脉冲整流二极管；C是滤波电容器，也起储能作用；为电源的负载。图1.3 并联型开关电源基本电路电路的工作过程类似于行输出电路，设V为理想开关管，则电路的工作、电流波形如图1.4所示。图1.4 并联型开关电源基本电路及工作波形在期间，正脉冲作用到开关管V基极使其饱和导通，Uce，故初级线圈上正下负， （1.2-1）即 （1.2-2）上式由初始状态决定。由（1.2-2）式可见，初级线圈电流线性上升，脉冲变压器次级感应的电压为上负下正，二极管截止。在开关管V导通期间，随着的上升，变压器中磁能增大，在时刻达最大值.当期间，负脉冲作用到开关管V基极，V截止；初级感应电压为上负下正， 由同名端连接可知此时次级感应的电压为上正下负，二极管导通，脉冲变压器储存的磁能开始释放使电容C被充电并取得输出直流电压。时刻，忽略变压器损耗，初级所有能量转移到次级，则初、次级能量关系满足 （1.2-3） 由此可得 （1.2-4） 在期间里，次级电流从开始线性下降，该电流的能源就是V导通时由变压器中储存的能量提供的。时刻，开关管又导通，二极管截止，脉冲变压器又储存能量。当然，次级能量并未耗完，又将转移到初级，使从开始上升。在V导通、截止期间，负载所需的电流就由电容器C放电来供应。为讨论方便，我们仅看电路工作在平衡状态以后的稳态情况。开关管V导通时脉冲变压器储存能量，设能量的增加量为;V截止时二极管导通，脉冲变压器储存的能量被负载消耗，设能量减小了。平衡状态时一周期内增加的能量应与消耗的能量相等，即有。因 （1.2-5（a） (1.2-5(b) )为脉冲变压器初级电流增加量，由（1.2-2）式可得 （1.2-6）式中Ton为开关管V导通时间。同样，次级电流为线性下降的波形，为次级电流在开关管V截止期间（Toff）线性减小量，因此有 （1.2-7）由（1.2-5）式至（1.2-7）式可导得 (1.2-8)上式说明，输出电压与输入电压成正比，与变压器匝数比成正比，与开关晶体管导通时间和截止时间比值成正比。调宽型开关稳压电源受行频同步，即周期为64s是固定不变的，所以输出电压通过控制比值，即控制脉宽来调节。而保持或不变，改变T来调整,这是频率控制方式的原理。从上述工作过程可以看出，开关管V和二极管是反极性激励方式，V导通时截止，而V截止时导通。电源供出的瞬时功率是比较小的另外，开关管仅工作在导通和截止两种状态，管耗很小，再加上脉冲变压器损耗也不大，故电源效率比串联稳压电源高得多，可达80%90%。并联型稳压电源有以下一些特点：（1）由于输出直流电压是依靠变压器初级线圈L1所存储的能量提供的，故必须足够大有足够的砸数。若值太小，在开关管V导通是储存的能量就少，V截止期间供给负载的电流就会感到不足。下次导通是初级线圈再从零开始上升，就使输出的波纹较大。电源特性变坏。当然，也不能太大，否则 晶体管开关状态转换瞬间将产生很高的感应电压，容易使管子和电路元件损坏。（2）由于脉冲变压器使负载与输入电网隔离，可省去电源隔离变压器。（3）脉冲变压器的次级可有几组不同砸数的线圈，以获得几组不同数值的电压，并且可以是降压，也可以是升压。（4）开关晶体管所承受最高电压出现在从导通变为截止时刻，其值由输入电压加上次级脉冲电压耦合到初级的值决定 （1.2-9）开关晶体管的反向耐压必须大于.2 滤波电路2.1 电容滤波电路 (1)滤波的基本概念 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以电容器C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。(2)电容滤波电路 现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图1.5所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图2.1 电容滤波电路 (3)滤波原理 若处于正半周，二极管、导通，变压器次端电压给电容器C充电。此时C相当于并联在上，所以输出波形同，是正弦波。当到达时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过时二极管仍然导通。在超过后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在到时刻，二极管导电，充电，按正弦规律变化；到时刻二极管关断，按指数曲线下降，放电时间常数为。电容滤波过程见图2.2。 图2.2 电容滤波电路波形 需要指出的是，当放电时间常数增加时，点要右移，点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之，减少时，导通角增加。显然,当很小，即很大时，电容滤波的效果不好，见图2.3滤波曲线中的2。反之，当很大，即很小时，尽管C较小, 仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。 图2.3 电容滤波的效果 (4)电容滤波电路参数的计算 电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅，一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即 另一种是在的条件下，近似认为VO=1.2V2。(5)外特性 整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图2.4所示。 图2.4 电容滤波外特性曲线2.2 电感滤波电路利用储能元件电感器的电流不能突变的性质，把电感与整流电路的负载L相串联，也可以起到滤波的作用。桥式整流电感滤波电路如图2.5所示。电感滤波的波形图如图2.6所示。当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将更换经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导电角都是180。 图2.5 电感滤波电路 图2.6电感滤波电路波形图 整流滤波电路的输出直流电压与电网电压和负载电流有关。当V2和Io变化时，输出电压Vo也将跟随变化，为了克服这种影响，在整流滤波后面还需要增加稳压电路。3 脉冲调宽调频电路只要控制Q1的集电极电压就可控制输出电压的高低。Q1集电极电压的控制是由取样比较电路来完成的。L3、L4为取样绕组， 在Q5截止时，D707导通，L2上电压与L3及L4上电压为线形匝数比关系，（L3L4）上电压为上正、下负，此电压经2整流、711滤波，在厚膜集成电路的、10脚上产生取样电压，作为Q1的工作电压，经电阻1、2到1的基极。这样，取样电压越高，1的基极电流越大，集电极电位降低；如果取样电压低时， 1的基极电流越小，集电极电位上升。因此，取样电压控制c1从而控制Q2的导通时间。如果负载电压上升时，使得取样电压上升， 从而Ic1 Vc1Q2提前导通3也提前导通5提前截止，从而缩短了Q5的导通时间，则负截电压下降；反之亦然。本实用新型彩色电视机的脉冲调宽调频式开关电源电路，包括：脉冲调宽调频控制发生单元和反馈稳压系统、以及电源脉宽调整电路，所述的电源脉宽调整电路包括：开关管、变压器和输出二极管；其特点是：开关管为双开关管，该两管的基极直接连接，两管的集电极直接相连，两管的发射极分别连接两个同等阻值的电阻，再连接在一点接地。该形式，可使每个开关管实际承受的最大工作电源为单管形式的，使开关管的工作温度降低，性能提高。图3.1厚膜集成电路下面列出了厚膜集成电路各引脚功能。 1 内部通过3接取样比较管，外接电容717。 2 取样比较电路公共端，外接取样滤波电容3 取样端4 内接振荡管2，外接709振荡回路电阻5 反馈电路滤波端，外接G12滤波回路电阻6 反馈端 7 过流保护端，外接电网过压保护稳压管706及R7118 内接过流保护管4的发射极，外接开关电源地 9 过流保护电路输出端10 集成块内部接地端 11 空脚 12 开关调整管5基极 13 开关调整管5发射极 14 空脚15 开关调整管5集电极 4 保护电路评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则，在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。同时，在同一开关电源电路中，设计多种保护电路的相互关联和应注意的问题也要引起足够的重视。4.1防浪涌软启动电路开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流达100A以上。在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏；轻者也会使空气开关合不上闸4。上述现象均会造成开关电源无法正常工作，为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠运行。防浪涌软启动电路通常有晶闸管保护法和继电器保护法两大类。(1)晶闸管保护法图4.1是采用晶闸管V和限流电阻R1组成的防浪涌电流电路。在电源接通瞬间，输入电压经整流桥（D1D4）和限流电阻R1对电容器C充电，限制浪涌电流。当电容器C充电到约80%额定电压时，逆变器正常工作。经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号，使晶闸管导通并短路限流电阻R1，开关电源处于正常运行状态。图4.2是采用继电器K和限流电阻R1构成的防浪涌电流电路。电源接通瞬间，输入电压经整流（D1D4）和限流电阻R1对滤波电容器C1充电，防止接通瞬间的浪涌电流，同时辅助电源Vcc经电阻R2对并接于继电器K线包的电容器C2充电，当C2上的电压达到继电器K的动作电压时，K动作，其触点K1.1闭合而旁路限流电阻R1，电源进入正常运行状态。限流的延迟时间取决于时间常数（R2C2），通常选取为0.30.5s。为了提高延迟时间的准确性及防止继电器动作抖动振荡，延迟电路可采用图4.3所示电路替代R2C2延迟电路。图4.1 采用晶闸管和限流电阻组成的防浪涌电流电路(2)继电器保护法图4.2 采用继电器K和限流电阻R1构成的防浪涌电流电路 图4.3 替代R2C2延迟电路4.2 过压、欠压及过热保护电路进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害，主要表现在器件因承受的电压及电流能力超出正常使用的范围而损坏，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。因此对输入电源的上限和下限要有所限制，为此采用过压、欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。 温度是影响电源设备可靠性的最重要因素。根据有关资料分析表明5，电子元器件温度每升高2，可靠性下降10%，温升50时的工作寿命只有温升25时的1/6，为了避免功率器件过热造成损坏，在开关电源中亦需要设置过热保护电路。图4.4是仅用一个4比较器LM339及几个分立元器件构成的过压、欠压、过热保护电路。取样电压可以直接从辅助控制电源整流滤波后取得，它反映输入电源电压的变化，比较器共用一个基准电压，N1.1为欠压比较器，N1.2为过压比较器，调整R1可以调节过、欠压的动作阈值。N1.3为过热比较器，RT为负温度系数的热敏电阻，它与R7构成分压器，紧贴于功率开关器件IGBT的表面， 图4.4 过压、欠压、过热保护电路温度升高时，RT阻值下降，适当选取R7的阻值，使N1.3在设定的温度阈值动作。N1.4用于外部故障应急关机，当其正向端输入低电平时，比较器输出低电平封锁PWM驱动信号。由于4个比较器的输出端是并联的，无论是过压、欠压、过热任何一种故障发生，比较器输出低电平，封锁驱动信号使电源停止工作，实现保护。如将电路稍加变动，亦可使比较器输出高电平封锁驱动信号。5 电路中存在的调试与问题解决5.1开关电源中的电磁干扰由于开关电源运用了三极管的开关作用以及PWM技术，使得它与线性电源相比在效率上得到了极大的提高，但是也随之带来了许多问题，在三极管的开关过程中，其, 的值很大，这使得开关电源在很宽的频率范围内的噪声都很大，这些噪声经过电源线传输到电网或其它电子设备上，就会形成电磁干扰。开关管处的电磁干扰是引起开关电源中电磁干扰现象的重要部分，开关管是重要干扰源。 某型号开关电源中MOSFET漏源极的电压波形，由一个梯形信号和一个阻尼振荡信号叠加而成，梯形信号的上升时间和下降时间一般在十纳秒到一百纳秒之间，电压和电流的变化率很快，而阻尼振荡信号则成正弦波的指数衰减形式，它的振荡周期一般为几十到几百纳秒。由于梯形信号上升沿下降沿的di/dt, dv/dt很大，将产生很强的干扰电压和电流，这些电压和电流通过某种耦合方式传输到输入和输出端口就会形成电磁干扰。在开关电源中，干扰源处的电磁干扰通常具有频谱范围广，干扰强度大的特点。 （1） 特征参数的确定一MOSFET的漏源极电压波形，为了研究其上升时间、下降时间、阻尼振荡等对其频谱的影响，需要确定该波形的特征参数，然后运用Matlab编程仿真。由于该波形是由一个梯形信号和一个阻尼振荡信号叠加而成，因此可以用分段函数进行模拟。上升沿可以用式（1）表示。 （1）式中为该函数的系数，为上升时间，是指从幅值的0%到100%。含阻尼振荡的电压幅值可以用式（2）表示 （2）式中是MOSFET在关断状态下的稳态电压，是衰减系数，令为振荡周期，当t为时，的值为阻尼振荡的最大振幅，a可以通过振荡时间来确定，例如振荡时间为时，指数函数衰减到1%，则a为，是位移，为MOSFET的关断时间。梯形波的下降沿可以通知式（3）表示 ， （3）式中为函数系数，是梯形信号的下降时间，是指从幅值的100%到0%。在MOSFET导通时，电压为0，因此可以用式（4）表示 ， （4）式中，T是开关信号的周期。利用上述（1）（4）四个函数式以及所确定的，等特征参数，通过软件就可以仿真出波形。（2）仿真分析本文采用了Matlab进行仿真。图5.5是根据函数（1）（4）及确定的特征参数仿真得到的开关信号及其频谱情况，其, （振荡频率=2MHz），,从图中可以看出，该信号的频率范围很宽，频域信号的幅值也很大，当然，这些干扰信号在耦合到电源外部形成电磁干扰时，能量会有很大的衰减。仿真时，由于傅立叶变换后各频率点的幅值变化太大，研究工作非常困难，因此本文对傅立叶变换后的幅值进行了取对数处理，另外对1dBuV的值也进行了归零。开关信号的上升和下降沿对干扰的幅值影响很大，图5.6是上升时间或下降时间为10ns时的上升沿或下降沿的频谱，把上升时间或下降时间改为100ns再仿真时发现：当上升时间或下降时间增加时，随着频率的升高，幅值减小的越快，也就是说，上升或下降时间的变化对高频干扰幅值影响更大。上升时间或下降时间为10ns和100ns时，不同频率的电磁干扰幅值和比较结果。从图中还可以看出在频率为图5.5 MOSFET漏源极电压的访真与频谱及其谐波频率附近，电磁干扰的幅值有一个很大的下降。 图5.6上升时间或下降时间为10ns时的频谱图5.7阻尼振荡频谱:10个振荡周期为了研究阻尼振荡对电磁干扰的影响，本文同样单独对其进行了研究，图17为其频谱，（振荡频率=10MHz）， 当把振荡周期从10个变为5个时，对比发现：振荡时间的长短对振荡频率附近的幅值影响最大，对其它频率的幅值影响很小。 由以上分析可以看出，适当的增加开关信号的上升和下降时间，可以降低电磁干扰的发射，对高频更为明显，尽量减小阻尼振荡的时间，对振荡频率附近的电磁干扰发射，具有明显的效果。结 论并联型开关稳压电源的任务是向整机提供正常工作所需要的电流和电压。电视机直流稳压电源的质量直接影响图像与伴音的质量，所以对直流稳压电源的设计、调整与测试都有较高的要求: 有良好的稳压特性, 纹波电压小, 电源内阻小, 受环境温度影响小. 开关型稳压电源与串联型稳压电源相比，具有功耗小（调整管工作于开关状态）、效率高（可达8090%）和稳压范围宽（电压在130 V260V变化时能保护良好的稳压性能）等特点，故得到广泛的应用。目前，大部分彩色电视均采用开关型稳压电源。通过该设计，使我