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电源电路
发稿时间:2017-12-11 15:42 来源:万达娱乐平台【官方注册】


刘修文



  1、电源电路的组成


  数字机顶盒的电源通常采用脉宽调制式开关稳压电源,这种电源具有功耗小、转换效率高、工作可靠、保护完善和稳压范围宽等特点,该电路主要由输入滤波电路、逆变器、脉宽调制电路、保护电路和输出电路等部分组成。





  (1)输入滤波电路包括输入滤波器、整流器和平滑滤波电路。输入滤波器位于电源电路输入端,由滤波电容、电感组成π型滤波电路,用于滤去交流输入电压中的高频杂波成分,防止电网中的高频干扰窜入电源,同时抑制开关电源对电网的影响。整流器采用桥式整流二极管,用于将输入的交流电压整流成直流电压,供逆变器进行DC/DC变换。平滑滤波电路将整流出来的脉动直流电压变成平滑的直流电压,并抑制高频干扰。


  (2)逆变器是一个由开关晶体管、变压器及电阻、电容等组成的自激反馈式振荡电路,其作用是将不稳定的直流电压变换成高频脉冲电压。在该电路中,当直流电压加到开关晶体管上时,开关晶体管在PWM控制器的控制下不断地导通和截止,在变压器初级绕组中产生出高频脉冲,经变压器耦合送到输出回路。


  (3)脉宽调制电路是一个利用误差电压控制输出脉冲宽度的反馈电路。该电路通过检测输出电压的变化产生一个误差电压,并将该误差电压反馈到逆变器去控制开关晶体管的导通时间,以改变输出脉冲的宽度,从而维持输出电压的稳定。脉宽调制电路通常由光耦合器和PWM控制器组成。光耦合器将输出电路中取出的误差电压反馈到PWM控制器,再由PWM控制器控制开关晶体管的导通与关断。当输出电压升高时,反馈到PWM控制器的电流增大,PWM控制器使开关晶体管的导通时间缩短,也就是使输出脉冲的宽度变窄,从而导致输出电压下降,维持了输出电压的稳定。


  (4)开关稳压电源的保护电路由过电流保护电路、过电压保护电路、过热保护电路和浪涌吸收电路等组成。串联在开关晶体管发射极上的电阻组成过电流保护电路,用于防止开关电源启动时开关管出现过电流。并联在变压器初级绕组上的电阻、电容组成浪涌吸收电路,用于泄放积蓄在变压器漏感上的能量,保护开关管不被击穿。


  (5)输出电路主要由高频整流器、平滑滤波电路和稳压电路组成。在输出电路中,高频整流器将逆变器输出的高频脉冲电压整流成直流电压,再经平滑滤波和稳压后,分别输出数字卫星接收机所需要的各路电压。


  数字卫星接收机的电源一般输出有3.3 V、5 V、20 V和30 V 4路电压。3.3 V电压用来向解复用器、解码器、解调器等电路供电;5 V电压主要用来向音频D/A转换器、音频放大器、调谐器等电路供电;20 V电压经过二次稳压后,在主CPU的控制下输出14 V/18 V电压,用来向LNB(高频头)供电,垂直极化方式时供14 V电压,水平极化方式时供18 V电压;30 V电压用来向调谐器中的AGC电路供电。对于某些需要驱动极轴天线的机器,还要提供12 V电压。



  2、同洲3188A型卫星数字电视接收机开关电源


  同洲CDVB3188A型卫星数字电视接收机是深圳同洲公司2000年8月推出的第三代数字卫星接收机,它保留了CDVB2000B型的特点,主板采用富士通单片MPEG-2解码芯片设计(芯片型号是MB87L2500)。



  同洲3188A型卫星数字电视接收机开关电源采用脉宽调制式开关稳压电源,该电源与其他开关电源一样,也包含了输入滤波整流电路、DC/DC变换器、输出稳压电路和保护电路等部分。


  由滤波电容、滤波电感和整流二极管组成的输入滤波整流电路将输入的交流市电滤波、整流成直流电压,再送给DC/DC变换器。DC/DC变换器包括高频振荡器和脉宽调制器。振荡器用来产生高频脉冲,该脉冲经脉冲变压器耦合到它的次级绕组。各次级绕组将该脉冲整流成直流电压,再经过滤波电容滤波,然后由三端稳压器稳压后输出。


  同洲3188A型数字卫星接收机的电源共输出有3.3 V、5 V、12 V、-12 V、22 V和30 V 6路电压。其中3.3 V电压用来向解复用器、解码器、解调器等电路供电;5 V电压用来向音频D/A转换器、调谐器等电路供电;+12 V、-12 V电压用来向音频放大器供电;22 V电压经过二次稳压后,在主CPU的控制下输出14 V/18 V电压,用来向LNB(高频头)供电,垂直极化方式时供14 V电压,水平极化方式时供18 V电压;30 V电压用来向调谐器中的AGC电路供电。


  同洲3188A型卫星数字电视接收机的开关电源核心元件采用了美国POWER公司的第二代三端离线式脉宽调制单片开关电源集成电路(TOP224Y),该集成电路有3个引脚,①脚为控制端C,②脚为接地端S,③脚为电源端D,其内部设有:电压控制源、带隙基准电压源、振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门驱动级、过流保护电路、过热保护电路、关断/自动重启动电路、高压电流源等,真可谓麻雀虽小,五脏俱全。TOP系列集成电路现已成为中小功率开关电源的优?



  3、TOP系列开关电源性能特点


  TOP系列开关电源具有以下性能特点:


  (1)将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成到同一个芯片中,内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET)、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,并具有软启动、外部设定极限电流、过压关断、欠压保护、过热滞后关断、遥控、同步等功能。


  (2)只有3个引出端,能以简单方式构成无工频变压器的反激式开关电源。为了完成多种控制,其控制端和漏极均属多功能引出端,实现了一脚多用。具有基本反馈与光电耦合反馈两种工作模式,后者可构成精密开关电源。


  (3)输入交流电压和频率的范围极宽。作为固定电压输入时可选110 V/115 V/230 V交流电,允许变化±15%;在宽电压范围输入时,适配85~265 V交流电,输入频率范围是47~440 Hz。


  (4)电源效率高。由于芯片本身功耗很低,电源效率可达80%左右,最高能达到90%,因此,被誉为“绿色”(节能型)电源。


  (5)为降低传导噪声干扰,专门增加了频率抖动功能,开关频率能以250 Hz的速率抖动,抖动偏移量△f=4 kHz。将开关频率限制在很窄的波段内抖动,能降低130 kHz固定频率的高次谐波干扰。
(6)当开关电源的负载减轻时,它采取跳过周期的方式来降低占空比,使输出电压保持稳定,即使空载时也不用接假负载。


  4、第二代TOP系列开关电源工作原理



  (1)控制电压源


  控制电压Vc能向并联调整器和门驱动级提供偏置电压,而控制端电流Ic则能调节占空比。在C-S极之间外接一只47 μF旁路电容,即可为门驱动级提供电流。控制端的总电容用CT表示,由它决定自动重启动的定时,同时控制环路的补偿。Vc有两种工作模式,一种是滞后调节,用于启动和过载两种情况,具有延迟控制作用;另一种是并联调节,用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。电路刚启动时由D-C极之间的高压电流源提供控制端电源Ic,以便给控制电路供电并对CT充电。


  (2)带隙基准电压源


  带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外,还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源,以保证精确设定振荡器频率和门级驱动电流。


  (3)振荡器


  内部振荡电容是在设定的上、下阈值VH、VL之间周期性地线性充、放电,以产生脉宽调制器所需要的锯齿波(SAW),与此同时还产生最大占空比信号(Dmax)和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰,提高电源效率,振荡频率(即开关频率)设计为100 kHz。需要指出,对于TOP系列开关电源(Ⅱ)脉冲波形的占空比设定潍D,其最小值Dmin=0.7%,对应于空载;最大值Dmax=70%,对应于满载。


  (4)误差放大器


  误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc变化范围是10~20 Ω,典型值为15 Ω。误差放大器的同相输入端接5.7 V基准电压,作为参考电压。反相输入端接反馈电压VF。输出端接的P沟道MOSFRT管等效于一只可调电阻,其阻值用R′DS表示。控制电压Vc经Zc、R′DS、RE分压后获得VFOIC可直接取自反馈电路,亦可接外部误差放大器的光电耦合反馈电路。误差放大器将反馈电压VF与5.7 V基准电压进行比较后,输出误差电流Ir,在RE上形成误差电压Vr。


  (5)脉宽调制器(PWM)


  脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路,它具有两层含义,第一,改变控制端电流Ic的大小,即可调节占空比D,实现脉宽调制;第二,误差电压Vr,经由RA、CA组成的截止频率为7 kHz的低通滤波器,滤掉开关噪声电压之后,加至PWM比较器的同相输入端,再与锯齿波电压VJ进行比较,产生脉宽调制信号VB。VB通过与门Y1、或门H之后,可将触发器I置零,使Q=0,把N沟道MOSFET管关断;而时钟信号则把触发器I置位,使Q=1,又使MOSFET导通,二者交替动作,就实现了脉宽调制信号的功率输出。


  (6)门驱动级和输出级


  门驱动级(F)用于驱动功率开关管(MOSFET),使之按一定速率导通,从而将共模电磁干扰减至最小,漏-源导通电阻与产品的型号和芯片结温有关,MOSFET管的漏-源击穿电压V(BO)DS≥700 V。


  (7)过流保护电路
过流比较器的反相输入端接阈值电压VLIMIT,同相输入端接MOSFET管的漏极。这里巧妙地利用MOSFET管的导通电阻RDS(ON)来代替外部过流检测电阻Rs。当IO过大时,V(BO)DS>VLIMIT,过流比较器就翻转,输出变成高电平,经过与门Y2和或门H,将触发器I置零,进而使MOSFET管关断,起到过流保护作用。


  此外,芯片还具有初始输入电流限制功能,刚通电时可将整流后的直流限制在0.6 A(对应于交流265 V输入电压)或0.75 A(对应于交流85 V)。


  (8)过热保护电路


  当芯片结温Tj>135℃时,过热保护电路就输出高电平,将触发器Ⅱ置位,Q=1,Q=0,关断输出级。此时Vc进入滞后调节模式,Vc端波形也变成幅度为4.7~5.7 V的锯齿波。若要重新启动电路,需断电后再接通电源开关,或者将控制端电压Vc降至3.3 V以下,达到VC(RESET)值,再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零,使MOSFET恢复正常工作。


  (9)关断/自动重启动电路


  一旦调节失控,关断/自动重启动电路立即使芯片在5%占空比下工作,同时切断从外部流入C端的电流,Vc再次进入滞后调节模式。倘若故障已排除,Vc又回到并联调节模式,自动重新启动电源恢复正常工作,自动重启动的频率为1.2 Hz。


  (10)高压电流源


  在启动或滞后调节模式下,高压电流源经过电子开关SI给内部电路提供偏置,并且对CT进行充电。电源正常工作时SI改接内部电源,将高压电流源关断。


  5、采用新型脉宽调整四端厚膜集成电路IM0380R的电源电路


  中大WS-9618卫星数字电视接收机的电源部分采用新型脉宽调整四端厚膜集成电路IM0380R,IM0380R内含振荡、脉宽取样驱动、过压过热保护、温度补偿等,功能完善,性能优异。①脚为接地端,②脚为内部开关管集电极端,③脚为内部开关管基极端,④脚为稳压控制输入端。R8为起动电阻,C8为慢起动充电电容,R5、C6与D7组成反峰吸收回路兼振荡元件。开关变压器①~③绕组为开关管集电极负载(初级绕组),⑤~⑥绕组为反馈绕组,经正反馈二极管D8接到四端厚膜集成电路的③脚。稳压环路由次级回路的U4KA431提供基准电压,R13与VR1为取样电阻,通过“光耦”反馈给IM0380R的④脚。




  6、电源电路故障分析与检修


  据不完全统计,开关电源部分的故障约占卫星数字电视接收机故障中的50%以上,这主要原因是:①有线电视前端系统中的卫星接收机是连续24小时工作不停机,有的小前端还使用家用型卫星接收机,连续使用时散热不好,元器件老化加快;②国内电网供电电压波动大,特别是下半夜至凌晨一段时间,电网电压有时达到250 V以上;③室内工作环境较差,机房通风散热不良,有的将卫星接收机放在封闭的机柜内,夏天工作环境温度高;④卫星接收机元器件质量差;⑤前端机房稳压电源质量不好,对电脉冲吸收不良,容易造成开关电源型卫星接收机的电源损坏;⑥个别接收机电路设计存在缺陷;⑦雷击造成电源部分损坏。


  检修电源部分的故障,可先检查电源部分是否有+5 V电压输出。可用万用表测量电源的各输出端,若有电压输出,说明电源部分无故障,应检查电源部分与解码板之间的连线是否接触不良,有无断线现象;若无电压输出,则说明故障发生在电源部分。由于电源部分的几路电压均由同一个逆变器产生,若几路电压均无输出,可判断故障发生在脉宽调制器以前,因为在一般情况下,几路电压的输出电路同时发生故障的可能性很小。可继续检查保险管、输入滤波电路、桥式整流器、开关管及脉宽调制器。发现保险烧断后,应先检查电路中有无短路,若有应先排除短路后再更换保险。


  若连续烧断保险,则说明电路中有损坏性的器件,如滤波电容漏电、整流管击穿、开关管击穿等。若保险丝未烧断,则检查整流器有无直流电压输出,如无直流电压输出,则检查整流器输入端有无交流电压输入,如有交流电压说明整流器损坏。若整流器输出的直流电压正常,可判断故障发生在逆变器电路中。逆变器主要由开关管、脉冲变压器和脉宽调制器组成,检查时可接上示波器,在脉冲变压器的次级回路中测量有无高频脉冲输出,若无高频脉冲输出说明振荡电路未起振。振荡电路中的关键器件是开关管,若开关管损坏,振荡电路就不能起振。若电源单元的输出端只是5 V电压无输出,其余各路电压均正常,则说明故障就在5 V输出电路中,如5 V整流管损坏或稳压器损坏。


  数字机顶盒3.3 V电源稳压集成块的应急代换。一部分卫星数字电视接收机的解复用器、解码器、解调器电路用3.3 V电压供电,这组3.3 V电源是经开关电源二次整流、滤波、稳压后形成,而稳压器多采用集成电路且因机型不同而各异。如帝霸201H卫星数字电视接收机的集成块为PJ1117,同洲3188A卫星数字电视接收机则用PQ15RW。稳压集成块损坏后,在当地很难购到,无法及时修复,影响接收机正常使用。其实,选择常用的可调三端稳压器LM317T即可应急修理,下面以帝霸201H接收机为例,说明其应急修理方法。


  帝霸201H接收机采用PJ1117作为3.3 V电源的稳压器,损坏后,可将PJ1117和与其相连的两只电阻从电路板上拆除,因LM317T与PJ1117引脚排列顺序相同,可直接把LM317T焊在电路板上,并固定在原散热片上,但要加装绝缘垫片。为防止LM317T输入端电压突然降低或输出端电压突然升高击穿LM317T,在其输入、输出端反向并接一只保护二极管D,D与R1、R2焊在电路板背面LM317T的相关引脚上。调整时,可先用4.7 k电位器代替R1,调节电位器使输出电压为3.3 V,然后拆下电位器测量其阻值,换成同等阻值的固定电阻,连接开关电源与主板间的插座,接收机即可恢复正常。



  
摘自《中国有线电视》



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