- 全固態(tài)電視發(fā)射機中的高性能開關電源設計
- 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。隨著各種功率開關元件的研制、應用，隨著各種類型專用集成電路、磁性元件、高頻電容研制成功，應用功率電子學技術理論研究不斷深化，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。完全適應當今高效率、小型輕型化、低功耗的技術要求，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備有90%以上都采用開關電源方式供電，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 開關電源分別為六路末級功放供電。開關電源是整個發(fā)射系統(tǒng)的能量保障，本文介紹開關電源分類、工作原理、優(yōu)缺點以及維修方法等。
一、開關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，能顯著降低功率開關管的功耗。
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)制方式技術最為成熟，應用也最為廣泛。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)寬開關電源在實際應用中最為廣泛。基本構(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。電流控制方式開關電源是在電壓控制環(huán)路基礎上又增加電流控制環(huán)路。基本原理如圖1- 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位。從Q端輸出的驅(qū)動信號變?yōu)榈碗娖剑铋_關管關斷直到下一個時鐘脈沖使PWM 所存器置位。電流控制型開關電源具有以下優(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)技術指標。簡化誤差放大器補償網(wǎng)絡的設計。
（4） 只要電流保護設定閥值，PWM 電流比較器就會動作，使功率開關管關斷，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)射機中開關電源原理及維修
以上是開關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)射機開關電源控制方式以及理論理解，使我對大功率開關電源原理、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)的開關電源的異常情況的敘述加以分析，從中分析開關電源的問題所在。例如，開關電源輸入功率較大時，每臺開關電源需要增加風冷或者水冷，一般開關電源為風冷，當風扇出現(xiàn)故障時，開關電源內(nèi)部熱量劇增，出現(xiàn)異味，當溫度升至設定保護值時，開關電源停止工作，無電壓輸出，停機重啟一段時間后又重復出現(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。雙功率管修復時除了檢查保護電路、變壓器外，還應該檢查雙管柵極驅(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電源損壞部分，為快速修復開關電源提供直觀修復方法。
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，開關電源無電壓輸出，應檢修輔助電源，當輔助電源正常，應檢查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，開關電源突然關斷，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)務水平。
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四、電視臺發(fā)射機電源應滿足的技術指標
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,選擇開關電源時，應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，所以選擇開關電源時應選用瞬變負載能力較強的開關電源。
2、開關電源在工作中會產(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<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、為適應節(jié)能環(huán)保技術要求，應選用功率因數(shù)>0 . 98 ,工作效率>90%的開關電源。
4、單臺開關電源負載功率密度≥0.28W/cm3.
5、單臺開關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<50mV.
6、開關電源在空載開機時，輸出會產(chǎn)生超過額定電壓值的瞬時過沖，此過沖值應<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<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。
