彩色电视机并联型开关稳压电源设计

1 绪论电视机直流稳压电源的质量直接影响图像与伴音的质量，所以对直流稳压电源的设计、调整与测试都有较高的要求。本毕业设计为了应对电视机直流电源的较高要求选择了彩色电视机并联型集成电路开关稳压电源设计为题进行研究，开关稳压电源与传统的线性稳压电源相比具有体积小、重量轻、效率高等优点，已成为稳压电源的主流产品,并且参考了大量文献资料,对直流稳压电源的基本要求可概括为：（1）有良好的稳压特性：电网交流电压在一定范围内变化或电源负载的变化时，输出的直流电压应基本不变。（2）纹波电压小：输出的交流电源经整流滤波和稳压后，应是纯净的直流电压，要求其上叠加的50Hz与100Hz残留波纹越笑越好。（3）电源内阻小：内阻越小，负载能力越强，即输出电压受负载变动的影响就越小。同时由于电源内阻小，亦能减轻和避免各单元电路之间通过电源内阻的相互耦合串扰。一般要求电源内阻应小于0.3 。（4）受环境温度影响小：由于电源电路发热部件多且功耗大，使其周围温升大，影响半导体器件的特性。设计不当将影响整机的正常工作，甚至可能使元器件损坏。 开关型稳压电源按开关调整管的连接方式分类可分成串联型和并联型，两类电路在工作原理上基本相同，电压调整范围和工作效率也大致相同。并联型电路在可靠性和安全保护方面较串联型电路要好一些，所以目前多采用并联型开关稳压电源.1.1 并联型开关稳压电源组成开关型稳压电源按开关调整管的连接方式分类可分成串联型和并联型，两类电路在工作原理上基本相同，电压调整范围和工作效率也大致相同。并联型电路在可靠性和安全保护方面较串联型电路要好一些，所以目前多采用并联型开关稳压电源， 大屏幕彩色电视机的开关稳压电源和中小屏幕彩电开关电源比较有许多不同。例如，电源供给功率增大，要特别重视提高电源效率；一般要求对市电的适应范围要为110260V，频率50HZ或60HZ均适用，为了和录像机、影碟机，卫星接收机等AV设备连接，要求机芯为冷底板设计；具有良好的过流、过压、短路等保护功能，使用更安全可靠；开关电源工作频率高于行频一般可在1676KHZ，这样可减小开关变压器的体积和滤波电容的容量。 图1.1是并联型开关电源的方框图，交流市电经整流滤波后加到高频脉冲变压器初级后并接在输入端。在行频脉冲作用下，开关管周期性地导通截止使初级未稳压的直流电源变换成了行频矩形脉冲，由脉冲变压器偶合到次级，再经整流滤波后就获得直流输出电压。与串联型稳压电源类似，它也对输出取样，再与基准电压比较得出误差电压，经放大后去脉冲调宽度的方式调整输出电压的大小。图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1 并联型开关电源组成框图图1.1 并联型开关电源组成框图开关型稳压电源按其激励方式分类，可分成他激控制式和自激控制式。他激式电路需附加一个振动器来产生开关脉冲，开关脉冲作用于开关管使电源电路有输出，待电视机正常工作后可由行频脉冲作为开关脉冲，振荡，使开关稳压电源有电压输出，待电视机正常工作后可由行频脉冲作为开关脉冲，振荡器就可以停振。自激式电路是利用开关管、脉冲变压器等构成正反馈环路形成自激振荡，使开关稳压电源有电压输出，电视机正常工作时自激振荡受行频脉冲的同步，解决了开关电源的独立工作能力。自激式电源即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能自激振荡而有直流电压输出，这对电视机的维修与调整是较为方便的。开关型稳压电源按稳压控制方式来分，可分成脉冲宽度控制方式和频率控制方式两类。电视机中采用脉宽控制方式较多，其电源工作频率与行频同步（15625Hz），以改变开关管导通时间Ton的方法来调节输出电压使Uo稳定。频率控制方式则是保持开关管导通时间Ton（或截止时间Toff）不变，通过控制开关脉冲频率（周期），相应调节脉冲占空比使输出电压达到稳定。1.2 并联型开关稳压电源简述并联型开关电源是现在用得最多的电源,电脑显示器,彩电,电脑电源等均采用它,所以了解其工作原理,掌握其电路特点是每个电子人员所必需的. 图1.2 并联型开关基本电路图 图1.2 是并联型开关电源的最基本电路图,Q为开关输出管,T为脉冲变压器,D为整流二极管,C是滤波电容,R为负载电阻,因开关管Q与输入直流电压E1并接,所以属并联型开关电路,脉冲变压器耦合开关电路有正向激励和反向激励两种形式,正向激励方式-开关管导通期间,次级脉冲整流二极管也导通,而在截止期间,开关管Q与二极管D都截止.反向激励方式-开关管导通期间D截止,而Q截止期间D导通该电路的工作过程与行输出电路类似,开关脉冲信号加至晶体管Q的基极,当输入 脉冲为正时,Q饱和,此时初级线圈上的电压特性为上正下负,次级感应电压则是上负下正,D反偏截止,当Q基极输入负脉冲时,晶体管Q截止,Q的集电极电位上升为高电平,此时T的次级感应电压是上正下负,D正向偏置而导通,电容C充电,取得直流输出电压,T在这里可看作储能元件,当开关晶体管Q导通,但二极管D截止时,初级线圈储存能量,当Q截止时,T则释放能量,此时二极管D导通.    这里我们需要说明一个问题,当Q截止时,T的初级电流跃变为零,并失去回路,次级如何有电压输出?线圈的电流不是不能跃变的吗?这一问题我们可从能量不能跃变这一概念来理解,因电感中的能量是以磁能形成存在的,一般的电感只有一个绕组,而脉冲变压器有初,次级两个绕组,在开关晶体管Q从导通变为截止时的瞬间,初级线圈电流突变为零,而T便将能量转移到次级,这时二极管导通,次级线圈有感应电流产生,感应电流所产生的磁通与转换瞬间前的相同,而保持磁通量不变.输出电压有以下关系式:E2=E1×2/1×Tc/T0,和是初次级匝数,Tc是晶体管导通时间,To是截止时间.为此我们可以通过控制Tc/To比使来调输出电压的高低.1.3 并联型开关电源工作原理 脉冲变压器耦合并联型开关稳压电源在彩色电视机中应用较多，本节对这种电路作较详细的分析。其基本电路组成如图1.3所示，V的开关调整管；T是脉冲变压器（又称为储能变压器），由于工作频率较高，故采用铁氧体材料的铁芯，同名端如图中所标；为脉冲整流二极管；C是滤波电容器，也起储能作用；为电源的负载。图1.3 并联型开关电源基本电路 电路的工作过程类似于行输出电路，设V为理想开关管，则电路的工作、电流波形如图1.4所示。图1.4 并联型开关电源基本电路及工作波形 在期间，正脉冲作用到开关管V基极使其饱和导通，Uce，故初级线圈上正下负，              （1.2-1）即 （1.2-2）上式由初始状态决定。由（1.2-2）式可见，初级线圈电流线性上升，脉冲变压器次级感应的电压为上负下正，二极管截止。在开关管V导通期间，随着的上升，变压器中磁能增大，在时刻达最大值.当期间，负脉冲作用到开关管V基极，V截止；初级感应电压为上负下正， 由同名端连接可知此时次级感应的电压为上正下负，二极管导通，脉冲变压器储存的磁能开始释放使电容C被充电并取得输出直流电压。时刻，忽略变压器损耗，初级所有能量转移到次级，则初、次级能量关系满足 （1.2-3） 由此可得 （1.2-4） 在期间里，次级电流从开始线性下降，该电流的能源就是V导通时由变压器中储存的能量提供的。时刻，开关管又导通，二极管截止，脉冲变压器又储存能量。当然，次级能量并未耗完，又将转移到初级，使从开始上升。在V导通、截止期间，负载所需的电流就由电容器C放电来供应。为讨论方便，我们仅看电路工作在平衡状态以后的稳态情况。开关管V导通时脉冲变压器储存能量，设能量的增加量为;V截止时二极管导通，脉冲变压器储存的能量被负载消耗，设能量减小了。平衡状态时一周期内增加的能量应与消耗的能量相等，即有。因 （1.2-5（a） (1.2-5(b) )  为脉冲变压器初级电流增加量，由（1.2-2）式可得 （1.2-6） 式中Ton为开关管V导通时间。同样，次级电流为线性下降的波形，为次级电流在开关管V截止期间（Toff）线性减小量，因此有 （1.2-7） 由（1.2-5）式至（1.2-7）式可导得 (1.2-8)上式说明，输出电压与输入电压成正比，与变压器匝数比成正比，与开关晶体管导通时间和截止时间比值成正比。调宽型开关稳压电源受行频同步，即周期为64s是固定不变的，所以输出电压通过控制比值，即控制脉宽来调节。而保持或不变，改变T来调整,这是频率控制方式的原理。从上述工作过程可以看出，开关管V和二极管是反极性激励方式，V导通时截止，而V截止时导通。电源供出的瞬时功率是比较小的另外，开关管仅工作在导通和截止两种状态，管耗很小，再加上脉冲变压器损耗也不大，故电源效率比串联稳压电源高得多，可达80%90%。并联型稳压电源有以下一些特点：（1）由于输出直流电压是依靠变压器初级线圈L1所存储的能量提供的，故必须足够大有足够的砸数。若值太小，在开关管V导通是储存的能量就少，V截止期间供给负载的电流就会感到不足。下次导通是初级线圈再从零开始上升，就使输出的波纹较大。电源特性变坏。当然，也不能太大，否则 晶体管开关状态转换瞬间将产生很高的感应电压，容易使管子和电路元件损坏。（2）由于脉冲变压器使负载与输入电网隔离，可省去电源隔离变压器。（3）脉冲变压器的次级可有几组不同砸数的线圈，以获得几组不同数值的电压，并且可以是降压，也可以是升压。（4）开关晶体管所承受最高电压出现在从导通变为截止时刻，其值由输入电压加上次级脉冲电压耦合到初级的值决定   （1.2-9）开关晶体管的反向耐压必须大于.2 滤波电路2.1 电容滤波电路 (1)滤波的基本概念     滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以电容器C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。(2)电容滤波电路 现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图1.5所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图2.1 电容滤波电路 (3)滤波原理     若处于正半周，二极管、导通，变压器次端电压给电容器C充电。此时C相当于并联在上，所以输出波形同，是正弦波。    当到达时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过时二极管仍然导通。在超过后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在到时刻，二极管导电，充电，按正弦规律变化；到时刻二极管关断，按指数曲线下降，放电时间常数为。电容滤波过程见图2.2。                    图2.2 电容滤波电路波形 需要指出的是，当放电时间