新型彩色电视机开关电路的原理分析.docx
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新型彩色电视机开关电路的原理分析
论
文
题目：
新型彩色电视机开关电源分析
院（系）:
陕西国防工业职业技术学院
专业年级:
电子信息学院电子3112班
姓名:
学号:
指导教师:
孙老师
新型彩色电视机开关电源分析
摘要：
随着电视机产品多样化的发展，越来越多的新款式，在扼要阐明单管反激型变换器的原理、特点基础上，着重讨论了它在彩电方面的重要应用；指出彩色电视机电源对反激型变换器的特殊要求、技术难点和对策新机型出现在我们的身边，从五六十年代的黑白电视机到现在的纯屏彩电，等离子彩电，日新月异的新花样丰富了我们的生活，同样越来越多，而且越来越复杂的维修问题摆在我们的面前。
所以电视机维修也应运而生，其中就有对开关稳压电路的维修，所以在日常生活中备一个开关稳压电源是必要的。
本文介绍了开关稳压电源的一些基本电路，详细地分析开关稳压电源的稳压电路、高频变压器、整流滤波电路等问题。
关键词：
彩电；稳压电源；高频变压器；整流滤波电路
第一章绪论
随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。
任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。
电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。
这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。
但通用都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。
由于调整工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。
另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。
20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。
在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。
20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。
20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。
并且自开关稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。
早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。
随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%~70%，而线性电源的效率只有30%~40%。
因此，用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。
随着超大规模集成VLSI（VeryLargeScaleIntegration）芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机、移动电话等）更需要小型化、轻量化的电源。
因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。
此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。
这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。
第二章开关电源的分类和基本工作原理及特点
开关型稳压电源的种类很多，分类方法也有多种。
从推动功率管的方式来分可分为自激式和它激式，在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡；它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截至。
按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等，单端式开关电源仅用一个开关管，推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。
按开关管的连接方式，开关电源分为串联型与并联型开关电源，串联型开关电源的开关管是串联在输入电压与输出负载之间的，属于降压式稳压电路;而并联型开关电源的开关管是并联在开关电源之间的，属于升压式电路。
开关电源的基本工作原理
开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种。
在目前开发和使用的开关电源电路中，绝大多数为脉宽调制型,即为PWM技术。
PWM技术，全称脉冲宽度调制技术，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需波形（含形状和幅值）的。
PWM开关稳压电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数以及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压被控制信号稳定。
调宽式开关稳压电源的控制原理如图1所示。
对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。
直流平均电压Uo可由公式（2.1）计算：
公式（2.1）
式中Um—矩形脉冲最大电压值；T—矩形脉冲周期；T1—矩形脉冲宽度。
当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。
这样，只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可达到稳定电压的目的。
图1脉宽调制式开关电源控制原理图
交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压通过功率转换电路进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。
开关电源工作状态分析
开关电源按照负载与储能电感的连接方式来分，通常有串联型开关电源与并联型开关电源大类，串联型开关电源因电网电压与主板地线不隔离的缺陷容易发生触电事故，故目前绝大多数用并联型开关电源，并联开关电源主板地线不与电网相线相连，习惯上称为“冷底盘电路”或称为“冷机心”。
目前用得最多的是自激式振荡开关脉冲调宽式稳压电源，有些引入了行同步功能。
图1工作原理示意图
图2波形图
从图中可以看出只要控制了开关管的导通时间（也就是脉冲宽度，故叫脉宽调整）就控制了电感L1充电时间，从而控制了负载的供电量，开关管工作在开关状态，开关管在截止时电感L1会产生很高的自感电压，相当于电源的整流以后电压10陪，约有3000V左右，故要求开关管耐压要高，且要求L1有合适的RC放电回路。
前10年的彩电以三洋公司研发的A3电源居多，以分立元件为主，但目前的彩电是一块IC加一个开关管的形式，或直接就是一块IC厚膜的形式。
图3是2007年TCL公司推出的2188F纯平彩电的电源部分，用了一个IC：
图3
TDA16846加一个开关管：
场效应管BUZ91A的形式，整个电路结构显得比较简单，这电路没用光电耦合器做反馈。
彩电一般的开关电源是由振荡电路、稳压电路和保护电路三大部分组成。
1、振荡电路：
开关电源振荡电路分为晶体管振荡电路和集成块振荡电路，如STR-S?
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系列IC，TEA2104、TDA4601、TDA4605、TDA2261、TDA16846等等。
2、稳压电路：
开关电源的稳压原理均采用脉冲调宽式的稳压方式，即通过自动改变开关功率管的关闭和导通时间的比例，或通过改变振荡器输出脉冲的占空比来达到稳压的目的。
稳压部分的电路由取样、比较、控制三个部分组成，很多机芯此部分电路是采用IC（如SE110等IC）和光耦件组合而成，而有些机芯则采用分立元件组成（多为国产机），而有些机芯采用的电源IC本身就集成了这部分电路（如部分串联型开关电源IC）。
3.保护电路：
彩电开关电源都设有保护电路，其保护方式均是使电路停振。
有过流保护、过压保护和欠压保护（短路保护），还有过热保护。
过流保护电路其过流取样点，大部分电视机中都是在主振功率管的发射极电位上。
过压保护电路的取样点一般取自220V交流经整流滤波后的电压或主负载供电电压，通过一个齐纳二极管（稳压管）来进行取样判别。
短路保护电路的取样点一般在稳压电源输出的低压组电源上，通过一个二极管来进行判别取样，在IC式开关电源中，有部分机采用的电源IC内部有“闩锁电路”，这个“闩锁电路”实际上是一个保护执行电路，各取样点送来的信号，通过它执行对电路的停振控制。
开关电源特点
1、效率高：
开关型稳压电源的调整管工作在开关状态，因此，功耗很小，效率可大大提高，其效率通常可达80%～90%左右。
2、重量轻：
开关型稳压电源常采用电网输入的交流电压直接整流，省去了笨重的工频变压器。
3、稳压范围宽：
输入交流电压在80～260V之间变化时，都能达到良好的稳压效果，输出电压的变化在2%以下，与此同时仍保持高效率。
4、安全可靠：
在开关型稳压电路中，具有各种保护电路。
5、滤波电容容量小：
由于开关信号频率高，滤波电容的容量大大减小。
6、功耗小，机内温升低：
由于晶体管工作在开关状态，不需采用大散热器，机内温升低，因此整机的可靠性和稳定性也得到一定程度提高。
第三章单片开关电源的设计
单片开关电源的主电路
随着PMW技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。
美国功率集成公司POWERIntegrationInc开发的TOPSwitch系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、PMW控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个新的时代。
本次设计就是针对TOPSwitch的第四代产品TOP248Y型6端单片开关电源，并根据设计条件选择线性光耦合器PC817和可调式精密并联稳压器TL431来设计单端反激式开关电源。
主电路的工作原理
电路主要包括输入整流滤波、TOP248Y脉宽调制、高频变压器、电压反馈整流滤波、输出整流滤波等几部分，其电路原理图如图4.1所示。
由VDZ1和VD1构成的漏极钳位电路，能吸收在MOSFET关断时由高频变压器初级漏感产生的尖峰电压，保护MOSFET不受损坏。
VDZ1采用钳位电压为200V的P6KE200型瞬态电压抑制器，VD1选用BYV26C型超快恢复二极管，其反向耐压为800V。
选择全频工作方式时，开关频率设定为132kHz。
输出滤波电路由C4、C5、C6、L1、C7构成。
TOP248Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。
C6接在交流电源进线端，专门滤除电网线之间的差模干扰。
精密光耦反馈电路由光耦合器、TL431等组成。
输出电压UO通过电阻分压器R5～R7获得取样电压，与TL431中的2.50V基准电压进行比较后产生误差电压，再经过光耦去改变TOP248Y的控制端电流IC，使占空比发生变化，进而调节UO保持不变。
反馈绕组的输出电压经VD2、C4整流滤波后，给光耦中的接收管提供偏压。
C3还与R2一起构成尖峰电压滤波器，使偏置电压在负载较重时能保持恒定。
R4、C9、C10和C2均为控制环路的补偿元件。
图4.1主电路工作原理图
TOP248Y的内部工作原理框图如图4.3所示。
图4.3TOP248Y的内部工作原理框图
该开关电源脉宽调制器路主要由控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器／误差放大器（PWM）、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断／自动重起动电路及高压电流源等部分组成。
另外，在TOP248Y的外端加接了由VDZ1和VD1构成的漏极钳位电路。
在功率MOSFET关断瞬间，高频变压器初级漏感会产生尖峰电压UL，那么就利用由VDZ1和VD1构成的漏极钳位电路来保护MOSFET不受损坏。
同时，高频变压器初级漏感在初级绕组上还会产生感应电压（即反向电动势）UOR，两者叠加在直流输入电压UDCImax上，加至内部功率开关管MOSFET的漏极上。
因此，VDZ1采用钳位电压为200V的P6KE200型瞬态电压抑制器，VD1选用BYV26C型超快恢复二极管，其反向耐压为600V.在MOSFET截止瞬间，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压就被VDZ1吸收掉。
光耦合器的选取
在开关电源的隔离中,以及设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数,除了必须遵循普通光耦的选取原则外,还必须遵循下列原则：
1.光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围是50%～200%。
这是因为当CTR＜50%时,光耦中的LED就需要较大的工作电流（IF＞5.0mA）,才能正常控制单片开关电源IC的占空比,这会增大光耦的功耗。
若CTR＞200%,在启动电路或者当负载发生突变时,有可能将单片开关电源误触发,影响正常输出。
2、若用放大器电路去驱动光电耦合器,必须精心设计,保证它能够补偿耦合器的温度不稳定性和漂移。
3、推荐采用线性光耦合器,其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。
上述使用的光电耦合器时工作在线性方式下,在光电耦合器的输入端加控制电压,在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级电路的电压,是单片机进行环调节控制,对电源输出起到稳压的作用。
线性光耦合器的典型产品及主要参数如下，这些光耦均以光敏三极管作为接收管。
表4.5线性光耦合器的典型产品及主要参数
产品型号
CTR（%）
U（BR）CEO/V
国外生产厂家
PC816
80～160
70
Sharp
PC817
80～160
35
Sharp
SFH610A-2
63～125
70
Siemens
SFH610A-3
100～200
70
Siemens
WEC2501-H
80～160
40
NEC
由上表可选取PC817光耦合器。
光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件。
通常是把发光器（发光二极管LED）和受光器（光敏晶体管）封装在同一管壳内如图4.4。
当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。
图4.4PC817内部框图
普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。
线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。
图4.5PC817集电极电压Vce与发光二极管正向电流If关系
PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。
第四章开关电源的检修
开关电源损坏后，大多都可独立进行维修，将负载全部断开，在主负载供电电源上带一只22V、100W的灯泡做假负载，并采用低压供电安全方式，即将供电电源经一自耦式变压器降至70V左右进行维修，这种维修方法完全避免了因电路存在隐患而再度损坏元件的现象，一般正常的开关电源（并联式），在70V左右的供电电压就能正常起振工作，慢慢调整自耦变压器的输出电压，开关电源的输出电压都应固定在其预设的电压值上不变，如果开关电源的输出电压随输入电压的变化而变化，则表明其稳压部分有问题；如果没有电压输出则表明震荡电路部分有问题。
第一种情况：
我们以并联型光耦控制稳压式开关电源为例，讨论一下其维修方法。
当开关电源不能正常稳压时，第一步是要确认引起故障的部位，简单快捷的方法是：
将光耦件热地端的两控制脚短路，如果电路进入停振状态，则表明故障在取样比较电路，取样比较电路有问题多半是比较IC和光耦损坏所致（比较IC损坏多数会引起光耦件同时损坏），如果是控制电路问题，如控制晶体管损坏，在晶体管的代换上一定要注意晶体管的参数。
第二种情况：
电路不起振。
当确信供电电压正常时，首先检查启动电阻（即跨接在311V电源与主振功率管基极之间的电阻）是否开路或变值，另外要考虑到不起振是否是由于保护电路动作所引起，如STR6309的第6脚电压（正常为0V），STR50213的第5脚（正常时100V左右），TEA2261的第3脚（正常为0V），TDA4601的第5脚等等，如果是保护电路引起停振可通过此点来进行判别，另外当控制电路有问题（如控制管击穿）也会引起电路停振。
其实开关电源电路是比较简单的电路，只要分清主振电路、保护电路和比较稳压电路三者的连接关系，维修起来就容易了。
另外，开关电源的主振功率管因其集电极是感性负载，所以在主振管工作时，其集电极将要承受8～10倍于电源的脉冲电压，为此在电路上加入了吸收电路（并于振荡变压器初级绕组的电容和电阻串联支路）和在主振管集电极与地之间并接的电容，这些元件的作用与行输出级的逆程电容有相似的作用，当这些元件有问题时，极易损坏主振功率管，此点需引起注意，本人曾维修过一台日立2518的彩电，检查发现其开关电源吸收电路的电容在温度升高时，电容值会变小，从而引起经常损坏电源主振功率管的故障，开关管击穿后通常会把前面的限流水泥电阻烧断。
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