淺談彩色電視機開關電源的工程設計（下）

摘要：在扼要闡明單管反激型變換器的原理、特點基礎上，著重討論了它在彩電方面的重要應用；指出彩色電視機電源對反激型變換器的特殊要求、技術難點和對策，介紹了設計范例并給出了工廠研制開發電視機電源的全流程。

關鍵詞：彩色電視機開關電源；反激型變換器；設計

A Talk on Engineering Designof SMPSfor Color TV

FENG? Zhen-ye

Abstract:The special requests on flyback converter for TV sets,some technique ticklers and countermeasures were discussed. A design example and the procedures for research and development of TV power supplies are also given.?

Keywords:SMPS for Color TV; Flyback converter; Design? 　

3? 彩色電視機對反激型變換器的設計要求及其技術難點

??? 圖9示出了一個典型的用于彩色電視機電源的它激式準諧振反激型變換器方框圖。首先要求變換器在寬的輸入市電范圍(90～270V)內保持良好的電壓調整率和負載變化調整率，選擇的控制IC要有高的AC/DC轉換效率，低的STANDBY功耗以及PFC功能。為節省起見，通常只用單功率管作開關，其次級側設有三個輸出繞組以供電視機的正常工作，它們是：

圖9? 帶PFC的 準 諧 振 反 激 型 變 換 器

??? 1）第一繞組為主輸出Vo1，高壓(106～165V)，大功率(53～100W)，用于電視機行包及衍生的CRT各電極等供電。反饋支路的采樣電壓就是從這一繞組引出的，因此它的穩定度要求是各輸出繞組中最高的，它直接影響了圖像的質量和穩定度。此外在Vo1上伴有的開關高頻噪聲(約0.5～1V峰-峰值)往往是傳導性電源干擾的源頭，必須設法克服它。

??? 2)第二繞組專供伴音電路，其輸出電壓Vo2在12～25V之間，輸出功率則取決于整機的伴音播放功率。一般來說伴音輸出功率要求越大就越難做，因為音量的變化會通過開關變壓器耦合到Vo1，引起聲音干擾圖像的難題。這時試圖單靠在伴音供電支路內插入CR退耦元件來解決問題是不適合的，因為這會引起PCB底板溫升提高及效率降低，而且也不可能完全有效消除干擾。實踐證明，此時最有效的辦法就是調整開關變壓器內各繞組的相對位置，從結構層次上使Vo1繞組與Vo2繞組盡可能遠離，其辦法是如圖10所示，讓初級繞組插入其中，同時還需要精細調節Vo2繞組相對于線包邊緣的留空位置d，以達到最佳效果。

圖10? 一 個 有 效 減 少 伴 音 干 擾 圖 像 的 線 包 結 構

??? 3)第三繞組專供機內的微處理器＋5V電源用，其輸出電壓Vo3在8～12V之間。Vo3的具體數值要選得適當，過高會引起整機STANDBY功耗升高，過低則有時會開不了機(例如在低溫下)。國標要求彩色電視機的STANDBY功耗小于5W，這是很嚴的要求。如果沒有特別措施(例如加入輔助變壓器等)，一般的單管反激型變換器是做不到的。

??? 上面介紹了為使彩色電視機正常工作而對反激型變換器次級輸出的基本要求。但在工業生產中，作為一個成品電視機開關電源，在投放批量生產之前還須經過一系列環境和安全試驗，它們至少包括：

??? 1）周邊元器件的短路試驗和開路試驗；

??? 2）AC264V/90V下各元器件的溫升測試；

??? 3）高溫(45℃),高壓(AC264V)1000h負荷試驗；

??? 4）低溫(－10℃)開機及負荷試驗；

??? 5）EMC試驗；

??? 6）10kV雷擊浪涌電壓試驗。

??? 另外還須克服上面提到的開關電源噪聲對PCB板上其它部件的傳導干擾和輻射干擾，必須克服電視伴音通過開關電源引起對電視圖像的干擾等等。由于測試的方面很多，有時會對電源電路中的某些元器件產生相互矛盾的要求，這時就需要找尋最佳折衷方案。

4? 開關電源變壓器的設計

??? 在反激型變換器中，由于導通時初級電流全數向磁芯充磁，當輸出功率稍大一點時，磁芯就極易飽和，導致開關管的損壞。圖11示出一個TV電源在待機轉為開機瞬間，其開關管的Vce和Ic建立的全過程。圖12是掃描記錄的其中幾個最高的電流Ic波形。由圖12可知在ton的后期，ic上升的斜率急劇增加，這是因為在開機過程中電流過大引起磁芯飽和，使有效的初級電感減少所致。這是一個惡性循環，它會進一步引起電流升高，最后導致初級電感短路而燒毀開關管。

圖11? 由 待 機 轉 為 開 機 瞬 間ic，vce建 立 過 程

圖 12? 由 待 機 轉 為 開 機 瞬 間 變 壓 器 飽 和 時ic波 形

??? 解決這個問題有兩種方法，其一是使用加大Size號的鐵氧體磁芯，其二是加大磁芯的空氣隙。一般判斷磁芯Size是否合適，可運用經驗公式（19）

?????? Pomax=???? (19)

式中：Pomax是該磁芯未飽和前可允許的最大輸出功率；

????? Se是磁芯的截面積。

??? 例如選EER42，磁材用PC30，查相關手冊得知其磁芯截面積Se=2.01cm2,窗口面積S=2.00cm2,則該磁芯可允許的最大輸出功率Pomax==101W。

??? 在輸出功率確定后，選擇相對大Size的磁芯會有效地防止變壓器磁芯飽和，但它卻帶來電源所占空間和成本的增加，有時這是不允許的。此時就需要使用第二種方法，即在現有磁芯中開設并適當加大其空氣隙。磁芯開空氣隙后會產生兩個效果：一是磁滯迥線向下傾斜，引起磁導率和剩磁的下降；二是提高了飽和前磁芯可承受的安匝數，如圖13所示，從而有效地防止了變壓器磁芯過早進入飽和。

圖 13? 加 入 空 氣 隙 拉 扁 了 磁 芯 的 磁 滯 迥 線 形 狀

??? 下面給出一個設計反激型變換器變壓器的例子(對應電路見圖9，但省去PFC部分)：

已知???? 輸入電壓范圍??? Vin=AC 85～265V

???????? 輸出電壓??? Vo=125V，V1=12V，V2=25V

???????? 輸出電流??? Io=0.7A,I1=0.4A,I2=0.4A

???????? 輸出功率

???????? Po=125×0.7＋12×0.4＋25×0.4=102W

???????? 開關頻率??? fs=30kHz

??? 1）計算在Vin(AC)min=85V時的占空比D

?????? VDCmin=Vin(AC)min××0.9=108.2V

式中系數0.9是考慮到輸入電壓的波形失真以及整流二極管壓降而加入的。

??? 假定D=0.5時的輸入電壓VDC=130V(見表2)，則在最低輸入電壓Vin(AC)min=85V下的D為

???? D===0.546

考慮準諧振方式會帶來平均約2～3μs的延遲，所以真實的占空比應為

????? D′=D×=0.546×=0.513

式中：T=1/fs；td=延遲時間。

表2? AC輸入電壓與VDC（50％）

??? 2）計算Lp

??? 假定該電源的AC/DC轉換效率為η=0.80,則有

???? Lp=×η=×0.80=0.40mH

??? 3）計算初級電流峰值I1p

??? 輸入平均電流

??? Iin====1.18A

??? 初級電流峰值I1p==4.6A

??? 或I1p====4.6A

??? 4）變壓器設計

??? 根據輸出功率Po選擇磁芯的Size，并從廠家給出的圖14，圖15所示的NIlimit（磁芯飽和前允許的最大安匝數）相對于AL值（即電感系數，），以及AL值相對于Air gap length(空氣隙長度)的這兩個圖形中求出初級繞組圈數Np。

圖14? 對 應H7C1和H7C4的EFC42型 帶 氣 隙 磁 芯 的NI1imit與AL的 關 系 曲 線 （ 典 型 曲 線 ）

注 ：NI1imit顯 示 勵 磁 電 流 點 離 開 其 線 性 延 伸 部 分20％ 和40％ 。

圖15? 對 應H7C1和H7C2的EFC42磁 芯 的AL值 與 空 氣 隙 長 度 的 關 系 曲 線 （ 典 型 曲 線 ）

測 試 條 件 ： 線 圈φ0.35? 2UEW? 100匝 ；頻 率? 1kHz； 電 流? 0.5mA。

??? 由式（19）及廠家給出的磁芯尺寸資料可定出所用型號磁芯。對寬輸入電源亦可使用表3推薦規格。

表3? 寬輸入電源推薦磁芯規格

??? 由Np2=×109求初級繞組匝數Np，因為從圖15中得知，氣隙長度取1mm時對應的AL=300nH／N2，故有

???? Np2=×109=1.333×103

??? Np≈37匝（注意：實用中，氣隙長度最好取小于1mm，因為若氣隙過大，會引起漏感增加）

??? 求變壓器的起始飽和電流IL為

???? IL(20％)=? （20）

式中：IL（20％）為磁芯的勵磁電流（或者說AL值）已從其飽和點下降了20％的IL值；

????? NI為變壓器安匝數。

??? 由圖14查出，當AL=300nH／N2時，知NI=290安匝，故有IL（20％）==7.8A，因為7.8A表征的是勵磁電流已從其飽和點下降了20％的IL，故真正進入飽和點的電流IL應為

???? IL==6.5A

??? 這個數字約為正常工作時I1p=4.6A的1.44倍。考慮到開關導通和負載躍變帶來的過流上沖，保持這個差距是必要的。

??? 求次級主繞組匝數Ns可使用

??? =?? (21)

式中：Vo是次級主輸出DC電壓；

????? VDC（50％）是占空比D=50％時的輸入DC電壓。

??? 工程上VDC（50％）的決定取決于電源的不同輸入電壓范圍以及開關管的不同耐壓值，如表2所示。

??? 今取VDC（50％）=130V，故有Ns=×37=35.6，取整數Ns=36匝。

??? 由此可求出次級繞組的每匝伏數===3.47，利用此值即可求出第二，第三個輸出繞組匝數

??? N2==3.4???? 取N2=3匝

??? N3==7.2???? 取N3=7匝

5? PFC功率因數校正電路

??? 為了滿足對輸入端諧波電流限制的新規定，電視機電源也應具備PFC功能。為節約成本，早期的電視機采用無源PFC充電泵電路，如圖16所示，雖說能解決一定問題，但調試難度較大，降低了可靠性[6]。

圖 16? 無 源 PFC充 電 泵 電 路

??? 現在比較傾向于采用有源PFC技術，多數應用Boost變換器。圖17示出一個最新的使用由Infineon公 司 出 品 的 TDA4863組 成 的 110 W PFC功 能 電 路[7]， 其 輸 入 電 壓 適 用 范 圍 為 AC 85～ 265 V， 輸 出 穩 定 在 DC 396 V， 其 PF接 近 于 0.99， 最 大 輸 出 功 率 達 到 110 W， 效 率 至 少 為 0.9， 該 電 路 可 適 合 于 29″ 以 下 的 彩 色 電 視 機 用 。

圖 17? TDA4863-PFC原 理 圖 （ 120W）

6? 電視機開關電源工程設計流程

??? 上面介紹了對電視機開關電源工程設計的一般方法，但是因為開關電源是一門實踐性很強的技術，單純地依靠一般的理論計算是絕對不可能達到安全可靠和實用目的的。這時需要在性能上多方測試，在實驗上反復調整，為了確保電源的高質量以及大批量生產的一致性，在工業上對開關電源的研發和性能評估都制訂有一套完整的流程，如圖18所示。

圖18? 電 視 機 電 源 的 設 計 和 性 能 評 估 流 程 圖

參考文獻

[1]? A.I.Pressman,Switching Power Supply Design,2nded[M].McGraw-Hill 1998.

[2]? H.W.Whittington,etc.Switched Mode Power Supplies:design and construction,2nded[M].Research Studies Press Ltd,England,1997.

[3]? 馮鎮業.利用TDA16846設計34″彩色電視機開關電源[J].電子元器件應用,2000,2(4):23－28.

[4]? 馮鎮業.利用STR－F6656設計34″彩色電視機開關電源[J].電源技術應用,2001,4(1):27－31.

[5]? 馮鎮業.一個簡易型115VAC供電的彩色電視機開關電源[J].電源技術應用,2001,4(3):74－77.

[6]? 馮鎮業.開關電源控制器TDA16846無源功率因數校正電路的原理和應用[J].電子元器件應用,2000,2(5):8－11.

[7]? Wolfgang Frank.Application Note AN-EVAL-TDA4863-1[M].Infineon,Sept,2002.（續完）