- 全固態(tài)電視發(fā)射機中的高性能開關(guān)電源設(shè)計
- 通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變占空比
- 通過接入源極, 反饋電阻Rs 去控制電流檢測比較器
為了建設(shè)低碳可持續(xù)型社會,人們對環(huán)保節(jié)能低耗綠色能源提出了更高的要求。隨著各種功率開關(guān)元件的研制、應(yīng)用,隨著各種類型專用集成電路、磁性元件、高頻電容研制成功,應(yīng)用功率電子學技術(shù)理論研究不斷深化,功率變換器拓撲及其對偶理論日益完善。如今開關(guān)電源的工作頻率從20KHz 提高到500KHz 甚至到1MHz ,功率也從最初的幾瓦、幾十瓦提高到了幾千瓦、幾十千瓦甚至更高,效率可以達到90%以上。完全適應(yīng)當今高效率、小型輕型化、低功耗的技術(shù)要求,從而取代了笨重的工頻變壓器。在現(xiàn)階段各種輸入輸出設(shè)備有90%以上都采用開關(guān)電源方式供電,只有少數(shù)音響功放為了追求更高的音質(zhì)而采用環(huán)形變壓器供電方式。開關(guān)電源是實現(xiàn)綠色能源的重要手段,也是今后相當長一段時間綠色能源發(fā)展方向。
全固態(tài)發(fā)射機,除了信號指標的提升外,體小量輕、高效低耗、積木式結(jié)構(gòu)維護簡單是它的顯著優(yōu)點,其供電方式采用六只26V/100A 開關(guān)電源分別為六路末級功放供電。開關(guān)電源是整個發(fā)射系統(tǒng)的能量保障,本文介紹開關(guān)電源分類、工作原理、優(yōu)缺點以及維修方法等。
一、開關(guān)電源按照控制原理可以分為四類
1、脈沖寬度調(diào)制(簡稱PWM、即脈寬調(diào)制)式:工作方式為開關(guān)周期為恒定值,通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變占空比,實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。
2、脈沖頻率調(diào)制(簡稱PFM, 即脈頻調(diào)制)式:工作方式為脈沖寬度為恒定,通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來改變占空比。
3、脈沖密度調(diào)制(簡稱PDM,即調(diào)密制)式:其特點工作方式是脈沖寬度為恒定,通過調(diào)節(jié)脈沖數(shù)實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。這種調(diào)制方式需采用零電壓技術(shù),能顯著降低功率開關(guān)管的功耗。
4、混合調(diào)制式(即脈沖寬度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制兩種方式相結(jié)合)開關(guān)周期和脈沖寬度都不固定,均可調(diào)節(jié)。
以上四種方式統(tǒng)稱為"時間比率調(diào)制"(即TRC 方式)。其中脈沖寬度調(diào)制方式技術(shù)最為成熟,應(yīng)用也最為廣泛。如早期產(chǎn)品CW1525A、1527A, 近期產(chǎn)品T494、UC3842 等均為脈沖寬度調(diào)制。
二、開關(guān)電源的工作原理及其性能
以上四種調(diào)制方式以脈沖調(diào)寬開關(guān)電源在實際應(yīng)用中最為廣泛?;緲?gòu)成如圖1- 1 所示,主要由以下6 部分組成。
接入交流電網(wǎng)(50Hz ,220V AC 或者115VAC)經(jīng)EMI 防電磁干擾電源線濾波器,直接整流濾波變成直流,再經(jīng)變換器將直流電壓(275V 或172V) 變換為數(shù)十KHz 或數(shù)百KHz的高頻方波或準方波電壓控制功率開關(guān)管,經(jīng)高頻率變壓器隔離、降壓(或升壓),再經(jīng)高頻整流濾波后輸出直流電壓,經(jīng)取樣、比較、放大控制PWM 調(diào)制器驅(qū)動功率開關(guān)管的占空比。從而可以得到穩(wěn)定的輸出電壓。
通過以上介紹我們基本了解了開關(guān)電源的分類及其脈沖寬度調(diào)制類型的基本構(gòu)成。但在實際運用中,PWM 制式開關(guān)電源有兩種控制類型,一種是電壓控制方式,一種是電流控制方式。電流控制方式開關(guān)電源是在電壓控制環(huán)路基礎(chǔ)上又增加電流控制環(huán)路?;驹砣鐖D1- 2(a , b)所示:
通過接入源極, 反饋電阻Rs 去控制電流檢測比較器。Us 為電流檢測電阻壓降, 此時PWM 比較器為電流檢測比較器。電流控制型通過檢測電阻來檢測電流,并且可逐個周期的限制電流,便于實現(xiàn)過流保護。固定頻率的時鐘脈沖將PWM 鎖存器置位,從Q 端輸出的驅(qū)動信號為高電平,使功率開關(guān)管VT 導通,高頻變壓器一側(cè)電流線性地增大。當電流檢測電阻Rs 上的壓降達到并超過Us 時,電流檢測比較器翻轉(zhuǎn),輸出的高電平將鎖存器復(fù)位。從Q端輸出的驅(qū)動信號變?yōu)榈碗娖?,令開關(guān)管關(guān)斷直到下一個時鐘脈沖使PWM 所存器置位。電流控制型開關(guān)電源具有以下優(yōu)點:
(1)它屬于雙閉環(huán)控制系統(tǒng),外環(huán)由電壓反饋電路構(gòu)成,內(nèi)環(huán)由電流反饋組成,并且電流反饋電路受電壓反饋的控制。與純電壓反饋電路相比,電流反饋電路的增益帶寬更大。
(2)對輸入電壓瞬時變化的響應(yīng)速度快,當輸入電壓發(fā)生變化時能迅速調(diào)整輸出電壓以達到穩(wěn)定值。這是因為輸入電壓的變化會導致高頻變壓器一側(cè)電感電流發(fā)生變化,進而使Us 改變,無須經(jīng)過誤差放大器,直接通過電流檢測比較器就能改變輸出脈沖的占空比。
(3) 電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)雙重控制下,可提高電壓調(diào)節(jié)技術(shù)指標。簡化誤差放大器補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。
(4) 只要電流保護設(shè)定閥值,PWM 電流比較器就會動作,使功率開關(guān)管關(guān)斷,維持輸出電壓穩(wěn)定。電流控制型本身帶有限電流保護,只需改變Rs 值,即可精確設(shè)定限電流閥值。
此電流控制型電路也存在許多不足的地方:如電路較電壓控制型復(fù)雜,給電路問題分析帶來了困難。當占空比超過50%時,高頻變壓器一側(cè)電感工作在連續(xù)儲能模式,開關(guān)電流信號的上升斜率較小,可能造成控制電路工作不穩(wěn)定,需加斜率補償。對噪聲抑制能力較差,只要在電流信號上疊加較小噪聲,就容易導致PWM 控制器誤動作,需增加噪聲抑制電路等。
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三、固態(tài)發(fā)射機中開關(guān)電源原理及維修
以上是開關(guān)電源基本原理和控制方式的介紹,結(jié)合我們實際工作中固態(tài)發(fā)射機開關(guān)電源控制方式以及理論理解,使我對大功率開關(guān)電源原理、整體控制方式有了進一步的認識?,F(xiàn)以5kW- 14CH 大功率合放式全固態(tài)電視發(fā)射機直流26V/100A 正激開關(guān)電源變換器的工作原理和維修方法來簡單介紹一下,如圖1- 3 所示:
輸入電壓220V AC 經(jīng)過輸入防電磁干擾濾波器,經(jīng)過整流電路、開機浪涌電流啟動保護電路和濾波電路,產(chǎn)生280V 左右的直流電壓,供給變換器單元??刂茊卧妷骸㈦娏鞅容^放大器,PWM 比較器,輔助電源等,它控制一個雙晶體管正激變換器,從而達到穩(wěn)定輸出電壓目的,經(jīng)變壓器耦合向負載傳輸能量。
對于大功率輸出開關(guān)電源變換器,常用還有全橋變換器、半橋變換器等。雙晶體管正激變換器也是一種單端變換電路,它不像半橋、全橋變換器等雙端電路,其變壓器不易飽和,同時驅(qū)動簡單,是大功率開關(guān)電源較為理想電路之一。
通過以上簡單原理介紹,我們就可以對開關(guān)電源的檢修有一定的幫助?,F(xiàn)在我以圖1- 3為參考介紹一下開關(guān)電源的幾種簡單維修方法:
1、詢問法:根據(jù)工作人員在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的開關(guān)電源的異常情況的敘述加以分析,從中分析開關(guān)電源的問題所在。例如,開關(guān)電源輸入功率較大時,每臺開關(guān)電源需要增加風冷或者水冷,一般開關(guān)電源為風冷,當風扇出現(xiàn)故障時,開關(guān)電源內(nèi)部熱量劇增,出現(xiàn)異味,當溫度升至設(shè)定保護值時,開關(guān)電源停止工作,無電壓輸出,停機重啟一段時間后又重復(fù)出現(xiàn)故障。
此時我們可以通過檢查熱保護功率管散熱元件,看溫升情況,同時檢查冷卻風扇就可以找到問題的根源所在。反之如果電壓電流溫升正常應(yīng)檢查溫控電阻及CW1525 溫控保護電路。
從上我們可以知道通過詢問現(xiàn)場工作人員開關(guān)電源的工作狀態(tài),會給我們維修帶來許多珍貴信息,為維修帶來方便。
2、觀察法:通過觀察開關(guān)電源的每一個器件狀態(tài)是否正常,特別是功率型器件是否出現(xiàn)短路、燒爆、及開路狀況,我們可以根據(jù)不同異常點來分析判別故障點,從而判斷出開關(guān)電源損壞部位。例如圖1- 3 中T1、T2 出現(xiàn)燒爆,我們就可以直觀分析出雙功率MOSFET 燒壞。此時可以判別出有以下幾種原因燒壞此管。(1):雙功率管自身性能變差。(2):變壓器初級B1出現(xiàn)短路現(xiàn)象。(3):RCD 緩沖保護電路損壞。(4):過流短路保護電路損壞。雙功率管修復(fù)時除了檢查保護電路、變壓器外,還應(yīng)該檢查雙管柵極驅(qū)動電路,因為燒壞雙功率管時短路電流較大,還可能造成其輸入電路的損壞,此時應(yīng)檢查輸入整流浪涌保護電路是否完好。通過觀察可以迅速判斷開關(guān)電源損壞部分,為快速修復(fù)開關(guān)電源提供直觀修復(fù)方法。
3、測量對比法:通過檢測各點正常電壓加以比較就判別出故障部位。如開關(guān)電源無電壓輸出,此時各點測量輸入回路電壓、輔助電源。
當輔助電源無電壓輸出時,CW1525 驅(qū)動電路無法工作,開關(guān)電源無電壓輸出,應(yīng)檢修輔助電源,當輔助電源正常,應(yīng)檢查CW1525 驅(qū)動輸出電路, 可采用斷開驅(qū)動柵極方法辨別CW1525 驅(qū)動電路的好壞,同時采用分段測量方法檢查雙功率管是否開路,重點檢查CW1525 控制電路、熱保護電路、過壓保護電路等,以上幾種電路中只要有一種出現(xiàn)故障,均會出現(xiàn)無電壓輸出。又如輸入電壓正常,輕載工作正常,當測量時,加載電流達到實際輸出電流的80%時,輸出電壓正常無下降狀況,開關(guān)電源突然關(guān)斷,無電壓輸出,減載開機輸出電壓正常。對此可判別出是因短路過載取樣電路電壓出現(xiàn)故障。正常情況下,一般取樣分流電阻增大,使互感器經(jīng)二極管D1、D2 兩端電壓升高, 短路保護提前動作所致。合理調(diào)整D1、D2 兩端分流電阻R3 阻值就達到修復(fù)此故障的目的。
通過以上幾種處理故障維修方法在實際中的運用,就完全可以提高自己對開關(guān)電源原理的理解,從而在加深原理理解后,運用原理去指導發(fā)現(xiàn)、處理故障的新方法,以提高自己的業(yè)務(wù)水平。
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四、電視臺發(fā)射機電源應(yīng)滿足的技術(shù)指標
1、電視臺發(fā)射機功率一般都比較大,少則幾KW,多則幾十KW,選擇開關(guān)電源時,應(yīng)首先考慮其運行的可靠性,常采用多臺并聯(lián)均流供電方式。要求開關(guān)電源的并聯(lián)均流不平衡度≤±3%,電視臺用發(fā)射機是變量負載,所以選擇開關(guān)電源時應(yīng)選用瞬變負載能力較強的開關(guān)電源。
2、開關(guān)電源在工作中會產(chǎn)生高次諧波、紋波系數(shù),它們必須滿足臺用發(fā)射機的技術(shù)要求,否則會影響發(fā)射機的發(fā)射性能。單臺機器的紋波系數(shù)應(yīng)<50mv,對諧波干擾要求必須滿足歐美EN55022B、U1950 及我國3C 認證標準。
3、為適應(yīng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)要求,應(yīng)選用功率因數(shù)>0 . 98 ,工作效率>90%的開關(guān)電源。
4、單臺開關(guān)電源負載功率密度≥0.28W/cm3.
5、單臺開關(guān)電源輸出最大功率時,疊加在直流電壓上的紋波電壓的峰峰值應(yīng)<50mV.
6、開關(guān)電源在空載開機時,輸出會產(chǎn)生超過額定電壓值的瞬時過沖,此過沖值應(yīng)<1V.
7、電源模塊的負載從滿載(指最大輸出電流Io=100A)突然跌落到空載(或接近空載)成為重減載,此時輸出會產(chǎn)生超出額定電壓值的瞬時過沖,此過沖值應(yīng)<1V.
8、電源儲存的環(huán)境溫度為- 50℃ ~+65℃ ; 電源工作的環(huán)境溫度為- 40℃ ~+55℃。?
五、結(jié)束語。
合理選擇電路技術(shù)參數(shù),可以滿足現(xiàn)代化電視臺發(fā)射機電源的功率因數(shù)、效率、體積、重量等性能要求。良好的開關(guān)電源可使電源在惡劣環(huán)境下正常工作。雙晶體管正激變換器中,控制電路采用電壓、電流雙閉環(huán)反饋電路,使電源的動態(tài)性能優(yōu)越,可自動限制輸出電流,從而實現(xiàn)過流保護,又能在負載突變的情況下實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定,確保發(fā)射機安全可靠運行。