淺談彩色電視機(jī)開關(guān)電源的工程設(shè)計(jì)（下）

Abstract:The special requests on flyback converter for TV sets,some technique ticklers and countermeasures were discussed. A design example and the procedures for research and development of TV power supplies are also given.

Keywords:SMPS for Color TV; Flyback converter; Design 　

3 彩色電視機(jī)對(duì)反激型變換器的設(shè)計(jì)要求及其技術(shù)難點(diǎn)

圖9示出了一個(gè)典型的用于彩色電視機(jī)電源的它激式準(zhǔn)諧振反激型變換器方框圖。首先要求變換器在寬的輸入市電范圍(90～270V)內(nèi)保持良好的電壓調(diào)整率和負(fù)載變化調(diào)整率，選擇的控制IC要有高的AC/DC轉(zhuǎn)換效率，低的STANDBY功耗以及PFC功能。為節(jié)省起見，通常只用單功率管作開關(guān)，其次級(jí)側(cè)設(shè)有三個(gè)輸出繞組以供電視機(jī)的正常工作，它們是：

圖9 帶PFC的 準(zhǔn) 諧 振 反 激 型 變 換 器

1）第一繞組為主輸出Vo1，高壓(106～165V)，大功率(53～100W)，用于電視機(jī)行包及衍生的CRT各電極等供電。反饋支路的采樣電壓就是從這一繞組引出的，因此它的穩(wěn)定度要求是各輸出繞組中最高的，它直接影響了圖像的質(zhì)量和穩(wěn)定度。此外在Vo1上伴有的開關(guān)高頻噪聲(約0.5～1V峰-峰值)往往是傳導(dǎo)性電源干擾的源頭，必須設(shè)法克服它。

2)第二繞組專供伴音電路，其輸出電壓Vo2在12～25V之間，輸出功率則取決于整機(jī)的伴音播放功率。一般來(lái)說(shuō)伴音輸出功率要求越大就越難做，因?yàn)橐袅康淖兓瘯?huì)通過(guò)開關(guān)變壓器耦合到Vo1，引起聲音干擾圖像的難題。這時(shí)試圖單靠在伴音供電支路內(nèi)插入CR退耦元件來(lái)解決問(wèn)題是不適合的，因?yàn)檫@會(huì)引起PCB底板溫升提高及效率降低，而且也不可能完全有效消除干擾。實(shí)踐證明，此時(shí)最有效的辦法就是調(diào)整開關(guān)變壓器內(nèi)各繞組的相對(duì)位置，從結(jié)構(gòu)層次上使Vo1繞組與Vo2繞組盡可能遠(yuǎn)離，其辦法是如圖10所示，讓初級(jí)繞組插入其中，同時(shí)還需要精細(xì)調(diào)節(jié)Vo2繞組相對(duì)于線包邊緣的留空位置d，以達(dá)到最佳效果。

圖10 一 個(gè) 有 效 減 少 伴 音 干 擾 圖 像 的 線 包 結(jié) 構(gòu)

3)第三繞組專供機(jī)內(nèi)的微處理器＋5V電源用，其輸出電壓Vo3在8～12V之間。Vo3的具體數(shù)值要選得適當(dāng)，過(guò)高會(huì)引起整機(jī)STANDBY功耗升高，過(guò)低則有時(shí)會(huì)開不了機(jī)(例如在低溫下)。國(guó)標(biāo)要求彩色電視機(jī)的STANDBY功耗小于5W，這是很嚴(yán)的要求。如果沒有特別措施(例如加入輔助變壓器等)，一般的單管反激型變換器是做不到的。

上面介紹了為使彩色電視機(jī)正常工作而對(duì)反激型變換器次級(jí)輸出的基本要求。但在工業(yè)生產(chǎn)中，作為一個(gè)成品電視機(jī)開關(guān)電源，在投放批量生產(chǎn)之前還須經(jīng)過(guò)一系列環(huán)境和安全試驗(yàn)，它們至少包括：

1）周邊元器件的短路試驗(yàn)和開路試驗(yàn)；

2）AC264V/90V下各元器件的溫升測(cè)試；

3）高溫(45℃),高壓(AC264V)1000h負(fù)荷試驗(yàn)；

4）低溫(－10℃)開機(jī)及負(fù)荷試驗(yàn)；

5）EMC試驗(yàn)；

6）10kV雷擊浪涌電壓試驗(yàn)。

另外還須克服上面提到的開關(guān)電源噪聲對(duì)PCB板上其它部件的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，必須克服電視伴音通過(guò)開關(guān)電源引起對(duì)電視圖像的干擾等等。由于測(cè)試的方面很多，有時(shí)會(huì)對(duì)電源電路中的某些元器件產(chǎn)生相互矛盾的要求，這時(shí)就需要找尋最佳折衷方案。

4 開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)

在反激型變換器中，由于導(dǎo)通時(shí)初級(jí)電流全數(shù)向磁芯充磁，當(dāng)輸出功率稍大一點(diǎn)時(shí)，磁芯就極易飽和，導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。圖11示出一個(gè)TV電源在待機(jī)轉(zhuǎn)為開機(jī)瞬間，其開關(guān)管的Vce和Ic建立的全過(guò)程。圖12是掃描記錄的其中幾個(gè)最高的電流Ic波形。由圖12可知在ton的后期，ic上升的斜率急劇增加，這是因?yàn)樵陂_機(jī)過(guò)程中電流過(guò)大引起磁芯飽和，使有效的初級(jí)電感減少所致。這是一個(gè)惡性循環(huán)，它會(huì)進(jìn)一步引起電流升高，最后導(dǎo)致初級(jí)電感短路而燒毀開關(guān)管。

圖11 由 待 機(jī) 轉(zhuǎn) 為 開 機(jī) 瞬 間ic，vce建 立 過(guò) 程

圖 12 由 待 機(jī) 轉(zhuǎn) 為 開 機(jī) 瞬 間 變 壓 器 飽 和 時(shí)ic波 形

解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方法，其一是使用加大Size號(hào)的鐵氧體磁芯，其二是加大磁芯的空氣隙。一般判斷磁芯Size是否合適，可運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式（19）

Pomax= (19)

式中：Pomax是該磁芯未飽和前可允許的最大輸出功率；

Se是磁芯的截面積。

例如選EER42，磁材用PC30，查相關(guān)手冊(cè)得知其磁芯截面積Se=2.01cm2,窗口面積S=2.00cm2,則該磁芯可允許的最大輸出功率Pomax==101W。

在輸出功率確定后，選擇相對(duì)大Size的磁芯會(huì)有效地防止變壓器磁芯飽和，但它卻帶來(lái)電源所占空間和成本的增加，有時(shí)這是不允許的。此時(shí)就需要使用第二種方法，即在現(xiàn)有磁芯中開設(shè)并適當(dāng)加大其空氣隙。磁芯開空氣隙后會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)效果：一是磁滯迥線向下傾斜，引起磁導(dǎo)率和剩磁的下降；二是提高了飽和前磁芯可承受的安匝數(shù)，如圖13所示，從而有效地防止了變壓器磁芯過(guò)早進(jìn)入飽和。

圖 13 加 入 空 氣 隙 拉 扁 了 磁 芯 的 磁 滯 迥 線 形 狀

下面給出一個(gè)設(shè)計(jì)反激型變換器變壓器的例子(對(duì)應(yīng)電路見圖9，但省去PFC部分)：

已知 輸入電壓范圍 Vin=AC 85～265V

輸出電壓 Vo=125V，V1=12V，V2=25V

輸出電流 Io=0.7A,I1=0.4A,I2=0.4A

輸出功率

Po=125×0.7＋12×0.4＋25×0.4=102W

開關(guān)頻率 fs=30kHz

1）計(jì)算在Vin(AC)min=85V時(shí)的占空比D

VDCmin=Vin(AC)min××0.9=108.2V

式中系數(shù)0.9是考慮到輸入電壓的波形失真以及整流二極管壓降而加入的。

假定D=0.5時(shí)的輸入電壓VDC=130V(見表2)，則在最低輸入電壓Vin(AC)min=85V下的D為

D===0.546

考慮準(zhǔn)諧振方式會(huì)帶來(lái)平均約2～3μs的延遲，所以真實(shí)的占空比應(yīng)為

D′=D×=0.546×=0.513

式中：T=1/fs；td=延遲時(shí)間。

表2 AC輸入電壓與VDC（50％）

2）計(jì)算Lp

假定該電源的AC/DC轉(zhuǎn)換效率為η=0.80,則有

Lp=×η=×0.80=0.40mH

3）計(jì)算初級(jí)電流峰值I1p

輸入平均電流

Iin====1.18A

初級(jí)電流峰值I1p==4.6A

或I1p====4.6A

4）變壓器設(shè)計(jì)

根據(jù)輸出功率Po選擇磁芯的Size，并從廠家給出的圖14，圖15所示的NIlimit（磁芯飽和前允許的最大安匝數(shù)）相對(duì)于AL值（即電感系數(shù)，），以及AL值相對(duì)于Air gap length(空氣隙長(zhǎng)度)的這兩個(gè)圖形中求出初級(jí)繞組圈數(shù)Np。

圖14 對(duì) 應(yīng)H7C1和H7C4的EFC42型 帶 氣 隙 磁 芯 的NI1imit與AL的 關(guān) 系 曲 線 （ 典 型 曲 線 ）

注 ：NI1imit顯 示 勵(lì) 磁 電 流 點(diǎn) 離 開 其 線 性 延 伸 部 分20％ 和40％ 。

圖15 對(duì) 應(yīng)H7C1和H7C2的EFC42磁 芯 的AL值 與 空 氣 隙 長(zhǎng) 度 的 關(guān) 系 曲 線 （ 典 型 曲 線 ）

測(cè) 試 條 件 ： 線 圈φ0.35 2UEW 100匝 ；頻 率 1kHz； 電 流 0.5mA。

由式（19）及廠家給出的磁芯尺寸資料可定出所用型號(hào)磁芯。對(duì)寬輸入電源亦可使用表3推薦規(guī)格。

表3 寬輸入電源推薦磁芯規(guī)格

由Np2=×109求初級(jí)繞組匝數(shù)Np，因?yàn)閺膱D15中得知，氣隙長(zhǎng)度取1mm時(shí)對(duì)應(yīng)的AL=300nH／N2，故有

Np2=×109=1.333×103

Np≈37匝（注意：實(shí)用中，氣隙長(zhǎng)度最好取小于1mm，因?yàn)槿魵庀哆^(guò)大，會(huì)引起漏感增加）

求變壓器的起始飽和電流IL為

IL(20％)= （20）

式中：IL（20％）為磁芯的勵(lì)磁電流（或者說(shuō)AL值）已從其飽和點(diǎn)下降了20％的IL值；

NI為變壓器安匝數(shù)。

由圖14查出，當(dāng)AL=300nH／N2時(shí)，知NI=290安匝，故有IL（20％）==7.8A，因?yàn)?.8A表征的是勵(lì)磁電流已從其飽和點(diǎn)下降了20％的IL，故真正進(jìn)入飽和點(diǎn)的電流IL應(yīng)為

IL==6.5A

這個(gè)數(shù)字約為正常工作時(shí)I1p=4.6A的1.44倍。考慮到開關(guān)導(dǎo)通和負(fù)載躍變帶來(lái)的過(guò)流上沖，保持這個(gè)差距是必要的。

求次級(jí)主繞組匝數(shù)Ns可使用

= (21)

式中：Vo是次級(jí)主輸出DC電壓；

VDC（50％）是占空比D=50％時(shí)的輸入DC電壓。

工程上VDC（50％）的決定取決于電源的不同輸入電壓范圍以及開關(guān)管的不同耐壓值，如表2所示。

今取VDC（50％）=130V，故有Ns=×37=35.6，取整數(shù)Ns=36匝。

由此可求出次級(jí)繞組的每匝伏數(shù)===3.47，利用此值即可求出第二，第三個(gè)輸出繞組匝數(shù)

N2==3.4 取N2=3匝

N3==7.2 取N3=7匝

5 PFC功率因數(shù)校正電路

為了滿足對(duì)輸入端諧波電流限制的新規(guī)定，電視機(jī)電源也應(yīng)具備PFC功能。為節(jié)約成本，早期的電視機(jī)采用無(wú)源PFC充電泵電路，如圖16所示，雖說(shuō)能解決一定問(wèn)題，但調(diào)試難度較大，降低了可靠性[6]。

圖 16 無(wú) 源 PFC充 電 泵 電 路

現(xiàn)在比較傾向于采用有源PFC技術(shù)，多數(shù)應(yīng)用Boost變換器。圖17示出一個(gè)最新的使用由Infineon公 司 出 品 的 TDA4863組 成 的 110 W PFC功 能 電 路[7]， 其 輸 入 電 壓 適 用 范 圍 為 AC 85～ 265 V， 輸 出 穩(wěn) 定 在 DC 396 V， 其 PF接 近 于 0.99， 最 大 輸 出 功 率 達(dá) 到 110 W， 效 率 至 少 為 0.9， 該 電 路 可 適 合 于 29″ 以 下 的 彩 色 電 視 機(jī) 用 。

圖 17 TDA4863-PFC原 理 圖 （ 120W）

6 電視機(jī)開關(guān)電源工程設(shè)計(jì)流程

上面介紹了對(duì)電視機(jī)開關(guān)電源工程設(shè)計(jì)的一般方法，但是因?yàn)殚_關(guān)電源是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，單純地依靠一般的理論計(jì)算是絕對(duì)不可能達(dá)到安全可靠和實(shí)用目的的。這時(shí)需要在性能上多方測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)上反復(fù)調(diào)整，為了確保電源的高質(zhì)量以及大批量生產(chǎn)的一致性，在工業(yè)上對(duì)開關(guān)電源的研發(fā)和性能評(píng)估都制訂有一套完整的流程，如圖18所示。

圖18 電 視 機(jī) 電 源 的 設(shè) 計(jì) 和 性 能 評(píng) 估 流 程 圖

參考文獻(xiàn)

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[7] Wolfgang Frank.Application Note AN-EVAL-TDA4863-1[M].Infineon,Sept,2002.（