彩电开关电源电路(李明勇)

1、彩电开关电源电路1 .简述开关电源同比线性电源，因其效率高、体积小、重量轻等特点而在家电产品 中得以广泛应用。现在所有的彩电产品基本都是使用开关电源。由于CRT彩电的电源功率通常在200W以下，因此现在彩电所用的开关电 源大都属于反激式开关电源。所谓反激式即指当功率开关MOS管导通时，将电能转化为磁能储存在开关变压器中。只有在功率开关MOS管关断时，才向次级输出能量。而在反激式电源中，相对于硬开关模式，准谐振(QRC, Quasi-Resonant Converter)开关模式因具有低 EMI和高效率而普遍适用。例如 Fairchild公司的 KA5Q系列、FSCQ系列，Sanken公司的ST

2、R-W67xx系列等。准谐振开关模式即是，当次级线圈通过整流二极管释放完能量后，功率开关MOS管并不立即导通。而是由初级绕组与开关 MOS管漏极电容(包括漏极所接 的电容Cr和MOS管的输出电容Coss以及次级的反射电容C，)进行串联谐振，谐 振到半周即最低点时导通。因此可以看出，准谐振开关模式属于完全能量转换的 电感电流不连续工作方式。由于外接了 Cr电容以及在电压最低点导通，因而降 低了损耗和EMI，提高了电源效率。彩电开关电源电路的设计，其中最重要的部分是开关变压器的设计。开关变 压器设计好后，才能依据来选择开关变压器外围的元器件参数。2.设计输入分析2.1输入电压范围：输入电压范围内销

3、外销VrmsAC130V-265VAC90V-265V2.2最大输入功率最大输入功率21寸及以下25寸及以上普通机大屏幕逐行机Pn75W150W180W由以上的参数可得到如下:2.3最大输入直流电压：y max _ 阴 max一=1.414x265=375V2.4最大输入有效值电流（）对彩电所用的桥式整流滤波电路，一般功率因数为0.55-0.65 ,增加谐波抑制电感后，功率因数提高至0.70-0.85，分别取0.55,0.70 。pn 二 UmsrmsCS=其中Pin为有功功率即输入功率，U rms为输入有效值电压，I rms为有效值电流，COS二PF为功率因数。因此：1 rms = pn /

4、U rmsCS各种机型的最大有效值电流如下:种类机型最大输入有效值电流（脚名）121寸及以下内销机75W/(130Vx0.55)=1.05A221寸及以下外销机75W/(90Vx0.55)=1.51A325寸及以上内销机150W/(130Vx0.70)=1.65A425寸及以上外销机150W/(90Vx0.55)=3.03A5大屏幕逐行机（内销）180W/(130Vx0.70)=1.98A6大屏幕逐行机（外销）180W/(90Vx0.55)=3.64A电源电路中选取的元件应满足以上电压和电流的要求（具体到某个机型的某项参数，可能会因测试条件不同而取值不同，但计算方法一样）。3.电源电路分析和器

5、件选取3. 1电源开关功率大于15W或电压大于40KV的设备必须装有手动机械开关。对电源开关的 参数要求主要有额定电流、浪涌电流及额定电压。例如 5A/120A/250VAG选择 电源开关时应满足这些参数的要求。3. 2共模和差模抑制电路（如图）eB图中L901 , L902分别与C904, C905组成两级低通滤波器抑制共模干扰，C901, C902与L901 (或L902)中两个线圈的电感差值组成滤波器抑制差模干 扰，差模电容的选取一般在47nF-0.22uF,通常不大于0.47uF,而且需并联阻尼 电阻，在电源关机后泄放掉电容上的电荷。现在大部分电源电路上没有该电阻， 是因为消磁热敏电阻

6、充当了阻尼作用。 如果电路中有继电器切断了消磁电阻，贝U 必须另外增加阻尼电阻来满足要求。_t_电阻阻值的选择：U =Umax.e RC按国标要求，在关机t= 2S后，线上的电压应该小于安全电压 36V。因此，U =36V，假如关机前的峰值电压Umax = 375V，C= 2x0.1uF,则可求出R的阻 值，选取的电阻值要小于该值。建议选择高压玻璃釉电阻。如果选择金属氧化膜 电阻，1W的需要2个串联。共模电容一般取470p 2200p,大了则初次级间漏电流会增加。漏电流计算公式如下：V VlL2 Vfc(1)L XC 1/2fcIL为漏电流，v是加在电容上的交流电压，f是作用在电容上的电源频率

7、，C是电容量。共模电感的计算式如下：L=1/ C (2n f) 2(2)如果选取截止频率为150KHz,则L901 , L902由下式计算出：L90仁L902=1/（2 n f） 2.C=1/ （2n x150） 2 .470 =2.4mH如按以上参数组成共模抑制器时，则当共模干扰信号经过该滤波器时，在150KHZ频率处，该滤波器的插入损耗为 6dB（未考虑输入输出阻抗）。但由于我 们并不知道共模干扰信号的初始幅度，因而不知道需要衰减多少dB才能满足要 求。因此实际的参数应该通过试验得出。一般在 10m H以上。电感量越大，低端共模抑制效果越好。但需要指出的是电感量并不是越大越好，因为随着电感

8、量的增加，匝数相应增加，其分布电容也增加，很可能使 高端频响（MHz处）曲线变差（当然，分槽绕制会改善这种情况）。如果匝数不 增加，磁芯的磁导率增高，也同样可能使频响（500KHZ处）变差。因此选择何种规格的磁芯以及电感量取多大，都需要兼顾高低频。电源滤波器主要滤除低端共模干扰，共模电容即丫电容滤除高端共模干扰。下图为 EMI的测试波形需要注明，1MHz以上的干扰基本上都属于共模干扰，150KHZ 1MHz既有差模也有共模干扰。因此需要针对不同的干扰频段来区分解决通过实际的试验测试选定磁芯和电感量后，还应考虑线径，以满足一定的电流密度，以免线径温度过高。电流密度一般取J=7-10A/mm2（视

9、散热条件而决定）,根据公式:pm4Irms二 1.1rmsJI.J(3)结合上面已知的最大输入有效值电流，可得出各种尺寸电视所用的电源滤波 器的线径大小（有效值电流视实际测试条件而计算）输入功率大于75W的电视机中，需要增加谐波电感抑制器来满足谐波电流测 试要求。谐波电流抑制器实际上是一个矽钢片制成的工频电感，它利用电感线圈内部 电流不能突变的原理调节电路中的电压及电流的相位差， 使得交流输入的基波电 流与电压之间相位差减小，并且电流波形趋向于正弦化以提高功率因素， 这就是 无源PFC。但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到 0.70.85;谐波电流抑制器的关键参数是电感量 L,随负载功率而

10、定。电感量不能太小， 要保证负载功率临界小时能满足谐波电流要求； 但也不能太大，一个是体积受限， 另一个随电感量的增加（成本也增加），压降将增大，影响温升。因此，通常是 按功率不同分段设置不同的谐波电流抑制器， 随负载功率的增大，其电感量减小。现在公司内销使用的谐波电流抑制器主要有三种11001443（ 11001453）、11001442、11001672 分别对应的使用情况为：电感量应用11001443 (11001453)47mH普通25寸及以上机型1100144233mH逐行25寸及以上机型1100167222mH背投25寸及以上电视机增加谐波电感抑制器后，可节省后一个电源滤波器（即L

11、902）。3. 3继电器电路继电器的工作原理是通过给其内部线圈施加一个电压后产生电流进而形成磁场力来使触点进行吸合的。其主要参数包括触点参数和线圈参数。触点参数主 要有最大切换电流，最大切换电压，线圈参数主要有工作电压，线圈电流等。典 型切换电路上图所示。这里需要着重说明的是，吸合时，应使控制三极管 V978处于饱和状态，即基极电流足够大，保证线圈电流符合参数要求，以使吸合稳定 例如线圈电流 =lc=40m A,三极管B =150,贝U lb=40/150=0.27m A。要求lb 电 流0.27m A。即卩 R963 1 .25即最少降额80%二极管的正向平均电流ji/ max/ max_

12、2为最大输入有效值电流。浪涌电流I FSM1 F S M 1.1VDC/ Rlz maxR为负温热敏电阻的零功率电阻值，为输入交流电压的最大峰值。3. 6开关电源电路3. 6. 1开关电源电路分析在前面简述中，已经简单介绍了开关电源。下面以FSCQ1265电源电路举例来介绍其工作原理HOT! !COLD田133朗I询1/4WC960 Tan/戦 ggoiAavjfr nr iffJiou/r田订 -=9302ivusiS-lvC9E5T4-IT2EJ0p?i nr th-HUMS础5IM1T3W SOCfO 冷 TTOR9fiHjD leraJHlto*R9E7C86?Tl(1) 开启和停止开

13、机后，300V的直流电压通过启动电阻 R915、R914 (如果使用金属氧化 膜电阻，需要2个串联。如果是玻璃釉电阻，可以1个)给C908充电。当Vcc 脚电压升到15V时，电源芯片FSCQ1265的内部电路开始工作。芯片内的 MOS 管开始了正常的导通和截止。Vcc脚的电压改由辅助绕组经 VD910整流、C930 滤波和R920降压后供给。当Vcc脚的电压降低至9V时，芯片内部电路停止工正常工作时，当由于某种原因造成 B +电压升高后，通过电阻分压到 V956基准极（R极）的电压也升高。V956 （KL431A ）是一个基准电压为2.5V的比 较放大器。R极电压的升高引起C极电流的增大。即光

14、藕次级（1、2脚）电流 增大。这样，误差取样放大电路将B+电压的变化转变为光藕电流的变化。因此光藕初级（3、4脚）的电流增大。电源芯片FB脚（Pin4）内部恒流源分给电容 C922的充电电流减少，FB脚电压降低，芯片内部与之对应的比较器上的电压降 低，比较器另一个脚接到 MOS管另一个源极取样电阻Rsense（如下图）。因 此，当FB脚电压降低即意味着开关管漏极电流的降低，即开关管提前截止。从而使得B+电压降低。反之亦然。初级电路中的 VD911、R913、C913、VD909、R912为电源芯片的SYNC 脚（Pin5）输送同步信号（幅度为9V左右的脉冲电平）。R913、R912分压调 整电

15、平幅度，C913与R913调整延迟时间。开关管由导通何时转为截止，上面 讲过是由FB脚的电平决定。而由截止何时转为导通，却是由 SYNC脚的脉冲 电平送到内部比较器上决定。当开关管截止后，初级绕组向次级绕组传递能量。在次级绕组的能量释放完后，开关管并不立即导通，变压器初级绕组与C920（MOS管的输出电容和次级反射电容忽略）开始谐振，同步电路的作用即是调 整延迟同步电平，使得串联谐振的电压幅度谐振到最低点时才导通（如下图） 。oyo（4）待机过程当V954的B极转为高电平时，V954导通，光藕1、2脚流过的瞬间电流 增大，光藕3、4脚电流同样增大，导致FB脚电压低至将近0V，开关电源进入间歇工

16、作状态（Burst Mode），即进入待机状态。波形如下图所示:A：:A：40+0 V322 V1.40 ms1,3 9 ms3. 6. 2开关电源电路保护该开关电源具有过载保护（OLP ），过压保护（OVP ）,反常过流保护（AOCP ）， 过热保护（TSD）及欠压锁存等保护功能。其中过压和过载保护是重启模式， 反常过流和过热保护是锁存模式重启模式保护：当一个故障出现时，开关停止，MOS管关断。电源芯片的供电脚Vcc由于没有反馈绕组的能量提供而导致电压下降。当电压降至欠压锁 存的停止电压9V时，保护被复位，电源芯片消耗电流减少（仅仅是启动电流 25uA），这时300V的直流电压又通过启动电阻

17、 R915、R914给C908充电。当 Vcc脚电压升到15V时，电源芯片开始正常工作。如果此时故障没有排除，仍 然存在。则又开关停止，MOS管关断。Vcc电压因耗电电流加大而下降。重复 刚才的过程，直到故障排除。如下图所示：锁存模式保护：一旦保护被触发，开关停止，MOS管关断。电源芯片的供电 脚Vcc电压在9V和15V之间不断地充电和放电。只有当该脚电压掉到低于6V以下（比如关掉电源或给 C908放电），锁存模式保护才被复位。（1）过载保护（OLP）当B+电压的负载非常重（比如极端情况行管被击穿短路），超出电源输出负 载能力时，B+电压降低，前面已经讲过调压过程。可知这将造成光藕的3、4脚流

18、过电流减少，FB脚电压升高。当电压升高至2.8V时，电源芯片内部D1二 极管导通，一个5uA的恒流源开始给FB脚的电容充电。当充到7.5V时，过载保护电路被触发。进入重启模式保护状态。如下图所示:(2) 过压保护(OVP)当某种原因造成次级B +电压反馈环路开路时，光藕电流变为几乎为零。FB脚电压以类似于OLP的模式上升。根据前面调压过程知道，随着FB脚电压的上升，开关电源提供的能量越多，B+电压越高，一直要到出现 OLP才行。但 在出现OLP之前，B +电压已超过了各器件的额定值。为避免此种情况损坏器 件，该电源芯片利用 SYNC脚设置了一个过压保护电路。正常情况下，SYNC脚的同步脉冲电平

19、设置在大约为 9- 10V峰值。当B+电压上升时，SYNC脚的 脉冲电压成比例地上升，当上升到 12V时，过压保护电路被触发。进入重启模 式保护状态。(3) 反常过流保护(AOCP)当次级的整流二极管或线圈绕组出现短路时，瞬间一个非常陡峭的电流以很 高的电流变化率di/dt流过MOS管。这种情况过载保护是不会被触发的。该电 源芯片为这种情况设置了一个反常过流保护电路。如下图所示：当该电流流过MOS管时，在其S极所接的到地电阻Rsense上产生一个电压。 该电阻Rsense接到一个比较器的一端，比较器的另一端接了一个预设的电平值。 如果Rsense上产生的压降达到预设值。则比较器翻转。反常过流保

20、护电路被触 发。进入锁存模式保护状态。（4）过热保护（TSD）该电源芯片将MOS管和控制IC集成在一个封装内，使得控制IC非常容易 测试MOS管的温度。当异常情况使得 MOS管的温度达到大约150度时，过热 保护电路被触发。进入锁存模式保护状态。3. 6. 3开关变压器设计3. 6. 3. 1设计开关变压器之前，首先需要确定如下几个参数：切畑:最低输入交流电压（比如90VAC）灯讹 :最高输入交流电压（比如265VAC）: 交流电压频率（50Hz/60Hz）: 最大输出功率（比如120W）(1)P1 = 135 0.7 二 94.5W(2)P2 二 15 0.5 二 7.5W(3)P3 = 7

21、 0.6 = 4.2W(4)P4 二 23 0.6 二 13.8WPo = Pol Po2 Po3 Po4 = 120W衍 :开关电源效率（通常设为80%） 最大输入功率可得出：PRn = 120/0.8= 150WEEff如果有多路输出，每路输出的负载藕合因子为:3. 6. 3. 2 确定直流输入电压范围首先需要确定滤波大电解的容量，由整流滤波电路中可知选取电解电容容量 的原则。确定电解电容的容量后，最低输入直流电压为：VDCminPg诃了 -。曲）CDC - fLI /trtin沪用于工程简单计算时，也可近似于=1.2：.min如果增加了谐波电感， 需要减去谐波电感上的压降 VLVL =

22、I.R = 1.2 fL = 2 fLII为有效值电流，L为谐波电感的电感量，f为交流电源的频率(50/60HZ)最高输入直流电压为:l , maxmaxVDC = 仏3. 6. 3. 3确定输出电压的反射电压 现在彩电多使用准谐振模式，其开关 MOS管的最高漏极电压为:DC VRO其电压波形如图:通常是先确定开关 MOS管，根据其耐压来决定-的值。例如选择开关v nomMOS管的耐压为600V，则电压不要超过开关 MOS管的(75%-85%)耐压。1/rjrI / nom例如选择-=125V，则在=265VAC时，=500V，留100V的余量给漏感电压。当然可试情况增加消尖峰电路。一个开关M

23、OS管是否适用，必须通过计算它在实际应用中的功耗，从而计算出实际工作时的最大结温。 开关MOS管的开关损耗精确计算起来比较困难,1/ maxi/(，- )2 .f因为它依赖于许多难以量化并且没有规范的因素， 这些因素同时影响到开通和关 断过程。但主要的开关损耗是由导通损耗和开启瞬间的损耗组成，即Pc = Irms 2 只 ds(o n) + 1/2.式中Irms为初级绕组的有效值电流，Rds(on)为导通电阻，一.为漏极电容(CoCt ),陥为输入直流电压，尺0为+B的反射电压，f为开关频率算出功耗以后，开关MOS管的结温TjTj = Pc .R 9 A + TA其中R9 A为管壳到管芯的热阻

24、，TA为开关MOS管壳表面温度。建议实际工作中的最大结温不要超过开关 MOS管给出结温最大限值的70% 左右。3. 6. 3. 4计算开关变压器初级绕组的电感量 L、(1)首先需要确定开关电源的最低频率一般人耳可听到的最高频率为 20KHZ，所以确定的最低频率不能低于 20KHZ。当然如果频率提高，变压器的尺寸将减小，但各种损耗随之增加。因此 需要在成本和可靠性之间取折衷。通常最低选取.=25KHZ。(2 )计算最大占空比 ,其公式为：D 二 %VRO VDC但准谐振模式是在次级放完电后，并不立即导通。而是由初级绕组与开关MOS管漏极电容(包括漏极所接的电容 Cr和MOS管的输出电容Coss以

25、及次级 的反射电容C C通常不计)进行串联谐振，谐振到半周即最低点时导通。如图:3jlLy +i/rVDCFiF:gr 丁rrt；谐振半周W;丿fL，其中.=通常值约为2-3uS所以最大占空比修正为:Djth-严耳Tf)(3 )计算初级绕组的电感量mtn3. 6. 3. 5当电感量确定以后2%皿 Pin，可得出流过MOS管(同时也是初级绕组)的最大峰值电流v min Df jp iTlfflLm rs3.6.3. 6同时还可得到流过MOS管的有效值电流I rms ds3. 6. 3. 7通过输出最大功率可以选定磁芯种类，如下表:磁芯种类110VAC/宽电源220VACEER-28L30W50W

26、EER-3570W110WEER-40100W130WEER-42120W150WEER-42/42/20170W200WEER-49220W300W3. 6. 3. 8由此可以计算初级绕组的匝数BA max eto其中一为最大磁通密度，要求取值小于0.3T, Ae为选定磁芯的截面积加A J血加确定后的初级绕组的匝数 ，要大于计算出的. 值3. 6. 3. 9确定次级各绕组的匝数B+绕组的匝数为：=（）/ -其中为B+输出电压， 为B+整流管的正向压降其它各绕组的匝数为：同样，- 为各绕组的输出电压，为该绕组的正向压降。3. 6. 4开关变压器的绕制开关变压器的各项参数都计算完后， 就需要开始

27、进行绕制了。通常，为增加 耦合，减少漏感，一般将初级绕组与次级输出绕组分层交错绕制，并且初级绕组和次级主绕组都要求密绕完，不能留半截。其它匝数少的绕组则散绕。而且，为 避免集肤效应，初级绕组和次级主绕组通常采用多股线， 其它有效值电流较大的 绕组也应采用。其绕线顺序如下：(1)伴音电源输出绕组(2)初级绕组（即Np）的一半(3)次级主绕组（即B +绕组Nsl）的一半(4)次级主绕组（即B +绕组Nsl）的另一半(5)次级其它输出绕组(6)初级绕组（即Np）的另一半(7)初级反馈绕组为防止伴音干扰图像，伴音绕组的地脚单独接地，看情况在PCB板上是否 与主地连接。开关变压器的设计是一个反复的过程。

28、由于在此过程中有很多的预设变量， 因此其参数的计算和线圈的绕制需要多次试验。 比如电感量大匝数多绕不下，磁 通密度余量不够，线经不合适，不能正好密绕完，次级输出电压值不合适等等。 这些情况都需要你重新来过。只有在逐步熟练以后，才能加快设计速度，提高工作效率3. 6。5关键元器件的选取3. 6。5。1次级整流二极管的选取首先要计算出次级各整流二极管的反向电压和有效值电流 反向电压：vD(n)_ vOin)+石&有效值电流： rms选取的次级整流二极管的最大反向电压:Vrr制-3匕個)该整流二极管的平均正向电流：乍A5(仍3. 6. 5. 2选取次级的滤波电容(1 )电压：要求输出电压不得超过电容

29、额定电压的(70%-80%)(2 )纹波电流：!耐二r,吨/心I r时5i -冷，其中为该路负载电流。要求电容的纹波电流不能小于该值。(3 )电容容量 和串联等效电阻(ESR)选取的和儿 要满足纹波电压的要求，纹波电压 -(斤)广 f mm1当然如果选取合适的电容后，纹波仍然超出指标，则需要增加一级LC滤波电路来满足要求。3. 6. 6光电耦合器开关电源中使用的光耦是线性光耦，它的主要参数是电流传输比，它等于直 流输出电流Ic与直流输入电流的IF的百分比。即CTR =( Ic /IF) .100%光耦的电流传输比CTR的允许范围一般为50%-200%太小时,光耦中的LED 需要较大的工作电流；太大时，当启动电路或负载突变，易发生误动作。除此之 外，还有一些参数对应用也比较重要，例如二极管部分的反向耐压VR、正向电流I F ；三极管部分的集射极耐压 Vceo、集电极电流I C等，这些在应用时都应 该注丿意。3. 6. 7冷热地电阻由于冷热地之间的完全隔离会形成两者之间的静电积聚，当静电积聚到一定 程度，将击穿隔离器件。为此，开关电源为了平衡冷热地两端的电位， 加入了由 电阻和电容组成的静电泄放电路。该电阻现在使用的是高压金属玻璃釉电阻，通常为 8.2兆-/1W，耐压为 8KV。虽然电阻的阻值都比较大，但因为静电电量都比较小，所以也能起到良好 的效果，