㈡ 开关电源电路原理分析" d3 j$ A1 n' P! Q, J5 G o
东芝2950XHC型彩电开关电源的原理电路如图2所示。主要由主控误差放大集成电路Z801(HIC1016)、从控功率放大集成电路Q801(STR-Z3302)、开关变压器T862、电流谐振电容C870和光电耦合器Q862等元器件组成;下面将在剖析厚膜块Q801内部电路工作原理基础上,分别介绍该开关电源的启动、振荡、稳压、待机控制与保护等电路的工作过程。0 x9 A; H' Y$ ^! C9 @* y" e. H9 G
1.厚膜块STR-Z3302的工作原理, ?+ f6 X+ y! w7 \, d) x% N
厚膜块Q801(STR-Z3302)内部功能框图如图3所示,它是由振荡电路、逻辑电路、过压保护(OVP)电路、过热保护(TSD)电路、过流保护(OCP)电路、延时关断电路、激励电路及双V-MOS场效应开关管等组成。其引脚功能与周围电路的作用分别是:5 C( c$ d8 C( i
①脚是内部末级半桥变换电路V-MOS场效应管工作电源(约300V)输入端,此电源由市电交流输入电压经桥式整流滤波电路后形成,并经保护器件Z860限流保护后由电感L861送到Q801①脚。, D1 W" O4 o* }/ E4 D; h
②、⑤、○17脚为空脚,⑥脚是控制电路部分接地端,○16脚是半桥驱动电路场效应开关管接地端。
0 M! _" @+ J$ E0 X③脚是高端MOS场效应开关管触发信号输入端,④脚是高端激励触发信号输出端,其输出信号经外接电感L863加到Q801③脚内部场效应开关管控制栅极。
* [* f6 O/ l6 {; q1 g⑦脚与⑨脚分别是控制振荡器频率的定时电容C862、定时电阻R874、R867的外接端,定时电容C862两端产生的是振荡锯齿波电压,它是通过厚膜块内部恒流源电路对C862进行充放电建立的,其充电电流的大小是由(R874+R867)阻值的大小与⑧脚输入电位高低共同决定的;⑧脚是稳压与直流待机控制信号输入端,其输入电位高低由光电耦合管Q862④脚电流的大小控制,Q862从④脚流入的电流越大,Q801⑧脚的电位越低,开关电源输出的直流电压也越低。, W; I0 G X8 `7 n: ?1 S
⑩脚是软启动定时元件R863、C866外接端,刚开机瞬间,C866两端的压降为零,因此⑧脚电压经R863给C866充电,由于电容器两端电压不能突变,使C866两端充电电压的建立有一个过程,此过程中Q801⑧脚电位将下降,使振荡电路给场效应开关管提供的激励驱动脉冲脉宽较小,以避免开机瞬间较大的峰值电流损坏场效应开关管,即实现软起动控制功能。
5 ?" h- j4 T% Y; S# r4 Q: JQ801○11脚为延迟关断控制端,其外接欠压保护监控电路,对市电整流滤波电路输出的脉动电压进行监测,当某种原因引起市电整流滤波电路输出的脉动电压过低时,该脚输入电压将由1V以上降至0V,迫使厚膜块Q801内部振荡电路停止振荡。- @8 N' x. J! ]1 Q* A
○12脚为厚膜块Q801内部振荡及其信号处理电路供电端,在开机瞬间,交流电网电压经R861限流、D801中一个臂的整流管与C876半波整流滤波后形成约15.8V的瞬时脉动电压给其供电;在开关电源正常工作后,开关变压器T862②、③端绕组上产生感应电势,经D864、C868整流、滤波,再经D872、Q872组成的串联稳压电路稳压后形成约16.8V直流电压给其供电。另外该引脚内部电路还具有过压与欠压保护功能,当输入到此引脚的直流电压高于22V时,内部过压保护电路起控,使振荡器电路停止振荡;当输入到此引脚的直流电压低于7.6V时,内部启动电路停止工作,使振荡器电路停止振荡。$ U! M2 a: |3 i/ d
Q801○13脚是低端激励触发信号输出端,○15脚是低端MOS场效应开关管触发信号输入端,○13脚输出的激励信号经外接电感L864加到Q801○15脚内部场效应开关管控制栅极。 }. }% J9 p5 W& B& }
Q801○14脚为过流保护检测输入端,当此脚输入电压高于0.7V时,其内部过流保护电路起控,迫使振荡电路停止工作,以实现过流限制保护功能;另外因市电整流滤波形成的+300V电压经R872、R866、R870分压后也加到○14脚,这样使得○14脚也能实现电网电压过高时的限流保护功能。
; A0 ?9 \$ l. uQ801○18脚为半桥式开关场效应管变换控制输出端。厚膜块Q801应用于东芝2950系列彩电开关电源电路中的半桥式电压变换原理等效电路如图4所示,有关工作波形如图5所示。○18脚内接的场效应管Q1、Q2是轮流导通的,若Q1导通,Q801①脚上的+300V电压经Q1、L862及开关变压器T862⑤、⑦端绕组给C870充电;若Q2导通,两端充有电荷的C870经T862⑦、⑤端绕组及Q2放电;由此可见,不管Q1导通还是Q2导通,T862⑤、⑦端绕组中都有电流流通,而且两种电流的大小相等、方向相反,均属于T862⑤、⑦端绕组与C870的串联谐振电流,谐振时T862⑤、⑦端绕组的压降最大,此谐振电压耦合到T862次级两组绕组,再经相应的全波整流、滤波后,将分别获得比较平滑的+125V、+19V直流电压。5 W5 U0 o2 ]5 t( W6 u; P; R
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Q801的○19脚为高端触发激励电路自举升压端,外接自举升压元件D862、R862、C863。当Q2导通时,Q872发射极输出的16.8V电压经D862、R862及Q801○18脚内部Q2管给C863充电,使C863两端充有约l6V电压;当Q1导通时,○18脚电压接近于①脚的+300V电压,此时D862截止,使○19脚的电压等于C863两端的约l6V再加上○18脚上的+300V,即○19脚电压升到316V左右。" z2 Y1 }- ]6 S( I3 U
2.启动电路工作过程/ a* _. h# i1 r; ]" {; s$ w
当交流开关S80l接通后,交流电网电压经C801、R801、T80l和C813、C814组成的低通滤波网络滤除电网电压中的高频杂波干扰后分两路输出:6 ^/ {* F v O( ?
⑴ 一路由D80l桥式整流,在滤波电容C810上产生约300V的未稳直流电压。此电压一路经Z860、L86l加到Q801(STR-Z3302)的①脚,给末级半桥式变换电路场效应开关管漏极提供工作电源;另一路经R872加到Q801○14脚。电路中R801的作用是为滤波电容C801提供放电回路,在关机拔去电源插头之后,使C801上的电荷泄放,防止裸露的插头触及人体放电;L805、L806可延缓浪涌电流的冲击。
: ^1 `/ f/ e$ o⑵ 另一路交流电网电压经R861限流后给C877充电(实际上是通过D801中一个臂的整流管进行半波整流),于是C877两端形成约16V的瞬时脉动电压加到Q801的○12脚,给其内部振荡及其信号处理电路供电,使Q801内部振荡器启动工作。振荡电路起振后,当开关电源正常工作时,开关变压器T862②、③端绕组上产生感应电势,经D864、C868整流、滤波后,在C868上产生约40V直流电压,再经D872、Q872组成的串联稳压电路稳压后形成约16.8V直流电压加到Q801的○12脚,以取代R861启动电路,减轻整流器D801与市电的功率损耗。; T' B l+ X3 Y4 g& \6 U9 j
3.振荡脉冲的形成与控制! h/ J9 n3 G* r$ U* W
由Q801内部框图电路可看出,它是由振荡器和开关元器件两个独立部分组成,Q801⑦、⑧、⑨脚内部为振荡器和振荡频率控制电路,其中振荡器实质上是一个双稳态(施密特)触发电路。厚膜块内部恒流源电路对其⑦脚外接的定时电容C862进行充电和放电来完成振荡产生锯齿波电压,即恒流源通过Q801⑨脚外接定时电阻(R867+R874)对C862进行充电,C862通过Q801⑦脚内部等效电阻进行放电;因此振荡锯齿波脉冲的频率由C862、(R874+R867)与Q801⑨脚和⑦脚内部等效电阻的时间常数决定。
; I: [5 v; h; Q* `. [, X% \0 M由于电路中C862与R874、R867均为常量,所以振荡电路输出的锯齿波频率实际是由Q801⑦脚、⑨脚内部等效电阻的大小决定的。即通过改变Q801⑦脚或⑨脚内部等效电阻,就可改变振荡电路输出脉冲的频率(脉冲宽度同时发生变化),而Q801⑦脚或⑨脚内部等效电阻是由⑦脚外接定时电容C862的充电速率决定的,所以只要改变Q801内部恒流源对C862的充电电流大小,就可改变振荡电路输出的脉冲频率与宽度,继而改变末级半桥式MOS场效应管的输出的脉冲宽度,以维持开关电源输出的直流电压稳定不变。而Q801内部恒流源电路受其⑧脚流出的电流大小控制,因此只要改变Q801⑧脚输出电流的大小,就可实现该开关电源的稳压控制功能。' R' R1 |, k2 B! N) @: |3 H
4.激励驱动与半桥变换工作过程
7 ]8 W# s" h( }! t& N1 u o G. YQ801内部振荡器电路输出的锯齿波电压经施密特触发电路整形变换成PWM方波脉冲,再经逻辑电路整形处理、驱动电路放大,形成控制LC谐振电路的两只场效应开关管轮流导通的高、低端触发激励脉冲信号,此信号的周期为振荡信号周期的两倍;高端触发激励脉冲经Q801内R1从其④脚输出,再经L863加到Q801③脚内部场效应开关管Q1的控制栅极;低端触发激励脉冲经Q801内R2从其○13脚输出,再经L864加到Q801○15脚内部场效应开关管Q2的控制栅极。
9 V! |$ j, o1 j# Z" ^+ p/ p/ K若在振荡电路输出信号的上半周期间,此两路激励脉冲作用于开关场应管Q1、Q2,使开关场应管Q1先处于导通状态,Q2处于截止状态,此时Q801①脚输入的+300V直流电压正极端通过Q1的漏-源极→Q801○18脚→L862→开关变压器T862⑤~⑦脚绕组→C870→接地端(即+300V直流电压负极端),组成的回路给C870充电,充电电流在开关变压器T862⑤~⑦脚绕组中形成⑤脚为正、⑦脚为负的磁场;在振荡电路输出信号的下半周期间,Q1截止,Q2导通,此时电容器C870上的充电电压通过开关变压器T862⑦~⑤脚绕组→L862→Q801○18脚→Q2漏-源极→Q801○16脚接地端(即C870负极端)组成的回路进行放电,其放电电流在开关变压器T862⑦~⑤脚绕组中形成⑦脚为正、⑤脚为负的磁场。根据电磁感应原理,周期性变化的磁场在T862各次级绕组中感应相应的脉冲电压,并经各次级绕组外接的全波整流滤波电路元器件处理后,形成相应的直流电压输出供给整机电路。