北广全固态发射机遥控系统开关电源原理分析跟典型故障检修.docx

北广全固态发射机遥控系统开关电源原理分析与典型故障检修 摘要： 对北广TVU233型300W全固态电视发射机遥控系统所使用相对独立的24V2A直流开关电源的结构特点、工作原理进行了详尽解剖与分析，重点介绍以TOP227Y为核心器件的脉宽调制开关电源的工作原理，总结了所发生故障的原因与维修排除过程，提供了开关电源正常工作时的典型数据，为今后快速维修排除该电源的其它各类故障提供相应的技术借鉴，以确保发射机的安全运行和系统可靠性。关键词：发射机 安全运行 开关电源 TOP227Y 故障检修引言江阴电视台自从启用北广全固态彩色电视发射机以来，可以实现远端光纤遥控与监测发射机实时工作状态等功能，包括最常用的遥控开机与关机，给发射机的使用与维护带来极大的方便。该发射机遥控监测系统（以下简称遥控系统）供电所采用的是相对独立的24V2A直流开关稳压电源，该电源的输入端为交流220V，与发射机的总电源开关同步输入。一旦该电源出现故障，会引起遥控系统自动关闭发射机，因此，该直流电源性能的稳定与可靠对发射机而言是十分重要的。以江阴电视台18频道TVU233型300W全固态电视发射机为例，其遥控系统供电电源即采用了这一独立的直流开关电源。该发射机在实际运行中就曾出现过因该电源故障而引起高压关闭、信号中断。本文对该开关电源的结构、原理等进行了详尽解剖分析，以使其在出现故障时能够快速准确地彻底修复，进而确保了发射机的安全运行。一、结构特点传统的开关电源已经相当成熟且应用广泛，该电源同样采用了高频开关结构，以高频变压器和光耦作为热电隔离，电源本身设有安全设备接地（）、火线接地（）和直流输出（信号）接地（），三个接地相互高压绝缘隔离。电源设计结构紧凑，采取全金属网罩屏蔽，体积小巧且散热性能好。二次整流管选取了C92M型双整流管模块以提高抗电流冲击性能。为使电源输出电压调整精准，采用了LM431可调并联精密稳压器件进行取样控制。该电源最大特点，是采用了TOP Switch三端式脉宽调制（PWM）集成电路TOP227Y作为核心器件，可免去许多外围元件和辅助电路，其特点是结构简洁，性能稳定，适应电压范围宽，转换效率高，设计和维修方便。二、电路原理1.脉宽调制开关电源基本原理经实际电路解剖分析，该电源采取的是高频脉宽调制开关电源原理。该原理的总体框图如图1所示，220V交流电经输入回路的一次整流滤波，形成约310V带波纹的直流电压进行高频功率变换，变换后的高频脉动电压再作二次整流和滤波输出所需直流电压，并从输出的直流电压经控制电路取样反馈至功率开关电路，从而得到可调整和稳定的直流输出电压。 图1 高频脉宽调制开关电源原理图 2.TOP227Y电路原理 该电源核心器件TOP227Y是TOPSwitch-系列中一款功率可达150W的芯片。它的三个管脚分别为控制极C（Control）、源极S(Source)、漏极D(Drain)。TOP227Y的内部原理如图2所示，主要包括以下十个组成部分。1）控制电压源控制电压源Uc以两种方式向并联控制器/误差放大器提供偏置电压，一种是滞后调节，一种是并联调节。控制电流Ic用于调节功率开关脉冲占空比；2）带隙基准电压源除了向内部提供基准电压外，还产生具有温度补偿可调节的电流源，用来精确设定振荡器频率和门驱动电流；3）振荡器提供脉宽调制所需的SAW锯齿波、Dmax最大占空比信号和CLOCK时钟信号；4）并联控制器/误差放大器当Ic超出正常值时，通过并联控制器进行分流。误差放大器则将反馈电压Ufb与5.7V基准电压比较后生成误差电压Ur；5）PWM调制器通过Ic的改变，连续调节脉冲占空比以实现脉宽调制（PWM），并滤除开关高频噪声；6）门驱动与输出级用于驱动MOSFET功率管，使之按照规定的开关频率导通和关闭，并将共模电磁干扰减至最小；7）过热保护与上电复位当芯片结温Tj135时，过热保护电路启动将触发器置1，通过主控门关断输出级。当断电后再通电，或将Uc降至阀值（3.3V）以下，上电复位电路启动将触发器置0，恢复输出级正常状态；8）过流保护检测漏极电流Id过大时，过流保护电路通过“与”、“或”门将触发器置0，从而关闭MOSFET功率管，起到过流保护作用；9）系统关闭/自动重启当脉宽调节失控时，该电路使芯片在5%占空比下工作并切断Ic。故障一旦排除，将自动重新启动电源，恢复正常工作状态；10）高压电流源在启动或滞后调节模式下，该电源经由S给内部电路提供偏置，并对Ct进行充电。 图2 TOP227Y电路原理图图2中，Zc为控制极动态阻抗，Re为误差电压检测电阻，Ra与Ca组成截止频率为7kHz的低通滤波器。TOP227Y为单片反激式开关电源芯片，它的基本工作原理是当电源正常工作时，开关S关断高压电流源改接内部电源，在控制环路与振荡环路作用下，漏极有电流流入芯片提供开环输入，该输入通过并联调整器/误差放大器放大，由控制极进行闭环调整，改变Ic的大小，经PWM调制器控制MOSFET功率管的输出占空比，从而达到动态平衡，获得稳定的直流输出电压。3.实际电路原理图3为依据实物绘制的全固态发射机遥控系统供电电源。基于TOP227Y的强大功能，只要少量的外围电路，就可以构成输入电压范围宽、电源转换效率高、电网安全隔离好、结构简单、成本低廉、电磁干扰小、功耗低、各种保护完备、工作性能稳定的直流稳压电源。在实际电路中，围绕TOP227Y的外围电路只需要输入整流滤波、钳位保护、高频变压器、输出整流滤波及反馈电路等五个部分。1）输入整流滤波电路该电路包括交流滤波、整流和直流滤波。交流滤波选用了技术成熟的型滤波电路。标为R02和R03的电容与电容C02、C03组成去除共模干扰电路，C01、C04则用于去除差模干扰。C06、C05和R05组成直流滤波电路，其中C05选用耐压400V、容量100F，起主要滤波作用，C06和R05用于高频杂波吸收和抗干扰。图3 全固态发射机遥控系统开关电源原理图2）钳位保护电路由于开关电源工作频率高达100kHz，当TOP227Y的MOSFET功率管由导通转为截止瞬间，会在高频变压器初级绕组产生极高的尖峰和反射电压。由V07、V06组成的钳位电路可有效吸收和抑制尖峰、反射电压。其中V06为反向击穿电压200V的稳压管9908E，也叫“瞬态电压抑制器”；V07为反向耐压600V的超快恢复整流管MUR160。在实际电路中，V06紧帖在一块25202(mm)的铜质导电体上并与其正极相接，用以对V06自身散热保护，如图3标志“*”所示。3）高频变压器高频变压器是整个开关电源功率转换的核心器件，由于工作在高频状态，对该器件的工艺和电气设计要求很高。该器件体积小巧，有别于体积庞大的工频变压器，故开关电源也称作“无变压器”电源。本电路中的高频变压器为多达14脚的多绕组变压器，而实际使用的是其中主要的三组绕组：57组为初级高频振荡绕组，1413组为高频脉冲输出级绕组，1（9）3（8）组用于反馈回路脉冲取样绕组，同时为起到隔离作用的光耦电路提供可变化的工作检测电流，既为脉宽调整提供条件，又确保了电网隔离。变压器绕组的“同名端”对电源工况影响极为关键，如图3标注“”所示。4）输出整流滤波电路输出整流滤波电路由V09、C10、C11C24、L02、C13C14等组成。其中整流二极管V09的开关损耗（正向导通损耗和反向恢复损耗）约占系统损耗的1/6，也是影响开关电源效率的重要因素。由于肖特基二极管反向恢复时间短，对于降低反向恢复损耗和消除正向输出电压波纹优势明显，故选用了C92M型肖特基二极管用于二次整流输出。C92M整流管特别之处还在于它是由两只二极管并联而成，以此增加了整流电路的输出功率和抗冲击性能。滤波电路以C10、L02、C13C14为主，电容选用耐压大于35V、容量为1000F，电感则选用3.3mH磁芯电感，用以抑制加到负载的高频噪声。5）反馈电路反馈电路主要由可调式精密并联稳压器TL431和线性光电耦合器Q817B共同组成，可使输出电压调整率达到0.1%。反馈电路是开关电源稳压的关键环节，直流反馈环路增益由光耦输入电流控制电阻R08、光耦电流传输比TOP227Y的PWM控制增益来决定。R06、C（47F/50V）为环路增益频率特性补偿回路，使反馈更加稳定。调整R14（2k）精密可调电阻，通过LM431可使输出电压在20.3V37.6V之间可调。当调整输出电压固定在某一值时，电源的稳压经反馈回路的过程是：当输出电压欲升高时，由R15、R13和R14组成的电压取样电路中a点电压Ur上升，流过LM431的KA电流增加，b点电压Uk下降，流过光耦Q817B内发光二极管电流增加，耦合到光耦射级电流即流入TOP227Y控制极C的Ic增加，内部PWM调制器据此调整开关脉冲占空比D减少，使输出直流电压降低。当输出电压欲降低时，其反馈工作过程与此相反，从而得到相对稳定的输出直流电压。三、故障检修1.故障现象发射机在正常工作时突然高压关闭，信号中断。经查属该开关稳压电源输出由24V降为0V，拆下电源后单独检查测试，确认电源本身出现故障。2.检修过程对实际电路外观检查，发现TOP227Y源极管脚已经与线路主板有脱离缝隙，且有打火痕迹。拆下该器件，用万用表测量三极间已经完全开路，确认芯片已经损坏。更换正常的TOP227Y，并对主板其它关键部件如V01V04整流管1N4007、V06V07钳位稳压整流管、C05C15所有滤波电容、V09整流管及Q817B与LM431等检测，除V08（1N4148）光耦供电整流二极管已击穿短路更换后，其他器件确认无误，加电试机，发现输出电压在220V之间不断波动，且伴有“咔嚓咔嚓”响声，说明还有故障未排除。依此现象表明应当是在稳压反馈环路中有问题，进一步对所有反馈环路包括电阻电容等再作检查，并未发现异常，至此检修陷入僵局。用万用表重点对Q817B光耦重新测量时，发现、脚C、E结电阻正反向还是为，按经验判断硅NPN结此阻值应属正常。为彻底排除疑难，没有现成的Q817B光耦作比较测量，但用同样封装结构的线性光耦P621测量时，发现C、E反向电阻但结正向电阻为86k，于是初步怀疑原Q817B光耦C、E结已开路损坏。于是用P621予以代替更换，结果电路进入正常工作状态，输出24.3V且非常稳定，至此故障排除。3.检修小结通过以上对该开关电源的检修，有以下两点体会值得总结。1）在对关键部件的检测中，仅凭经验粗略测量，会产生误判，使维修工作走弯路。比如原光耦Q817B的C、E结已经击穿开路，但第一次测量并未予以重视，误以为正常，上机加电后，便出现如前所述的“二次故障”现象。2）分析研判该电源此次故障的根本原因，发现原TOP227Y器件曾经维修更换过。所更换的TOP227Y三个管脚长度被剪过短，当与散热板固定后，管脚不能正常插入主板焊孔内，只能用焊锡将管脚“搭焊”在主板焊孔外。由于该器件为高频大功率部件，连续工作时会产生高热，长时间持续发热，导致三个极当中的源极与主板逐步出现氧化脱焊，某一瞬间剥离开路的同时产生打火，致使本身击穿开路损坏，也导致V08整流管和Q817B光耦损坏。由此可见，在电子电路维修过程中，更换器件的工艺要求应当严格按标准执行，不可以图省事，马虎敷衍，否则就会出现类似不应出现的意外故障。为了确保今后发射机的安全运行，除了备用一款同样的24V2A直流开关电源外，对实际开关电源电路的应用参数和实测参考数据做出记录，该电源一旦再次出现故障时能够有所参照并尽快修复。1）Ic从2mA增至6mA时，D就会由67%减至1.7%；2）控制极C与内部并联控制器/误差放大器连接，为芯片提供正常工作电流，且0Ic100mA；3）通过外部旁路电容与内部电源支路连接确定芯片自启动频率，频率范围：80kHzf100kHz；4）控制回路补偿电压典型值：5.7VUc9V；5）输入交流电压由85V变化到275V时，TOP227Y导通时间及关断电压如表1所示；表1 TOP227Y不同输入电压实测参考数据电网输入电压（V）85112131173226275功率管导通时间（S）5.14.63.73.22.72.2关断电压峰-峰值（V）2062472893464305286）当输出电压固定在24V时，实际电路中关键点参考电压（用VC9802A+型数字万用表测量）如表2所示；表2 开关电源24V输出时关键节点电压实测参考数据节点位置abcdefg相对火线地电压（V）6.73248.4相对信号地电压（V）2.820.724227）用MF14型万用表测得正常TOP227Y的离线电阻参数如表3所示。表3 TOP227