应用SMR60000系列设计彩色电视机开关电源

图1开关电源等效电路

图2开关电源框图

1引言

SAMSUNG电源ICSMR60000/62000A是一个内含功率MOSFET(6A/700V和12A/700V)的开关电源混合模块。它们分别适用于输入功率为65～120W以及120～150W两个档次的彩电用开关电源。

SMR60000系列具有第二代开关电源IC的共同特点，即次级采样和光耦控制；准谐振工作方式；高的AC/DC转换效率；宽阔的输入电压范围和良好的稳压特性；有多种电路保护以及成本较低等。其性能价格比较为符合我国市场需求，因此近年来国内已有一些厂家采用。 本文在扼要介绍该IC工作原理的基础上，着重介绍如何应用它去设计制作14″～21″以及25″～29″二款电视机电源。给出了火牛的设计以及满意的实验结果。2SMR60000系列的等效电路及方框图

图1示出该IC的等效电路，图2示出了以它为核心的开关电源方框图。这是一个变压器耦合的反激型AC/DC变换器，其开关频率在70－120kHz之间。稳压过程是由次级输出中采样，经过一个三端可调节的稳压ICNJM431，与预定的基准电压作比较得出误差信号送入光耦，再经光耦以电流控制方式传至SMR60000/62000A的控制输入端，用以改变开关的

ton，toff，从而达到稳定输出电压的目的。

该电源除含主ICSMR60000/62000A及取样稳压电路以外，还含有启动电路，过流保护电路，准谐振电路，Standby控制电路，过压和欠压保护电路等单元。

3单元电路简述

3?1启动电路

启动电路由图3中的R1、R2、R3和DZ1组成，它的作用是在开机时提供一定的DC偏置给MOSFET栅极，使其能正常起振。因为MOSFET是电压驱动器件。如果有过量的电流和电压加入栅极，这将会引起MOSFET漏极和源极之间击穿。因此使用稳压二极管DZ1(6.5～7.5V)用以防止偏置过大而造成MOSFET损坏。

图3启动电路

3?2过流保护电路

过流保护电路如图4所示。因为MOSFET的源极电流从脚4流出，在R1上有一电压降。V4≈IpR1，如果初级电流Ip过大，使V4达到晶体管Q1的基极导通电压0.6V，则Q1由截止转为导通。旁路了MOSFET的栅极，使电路停振，保护了MOSFET。

由于该IC具有“输出功率限定”功能，这使高压输入端(AC264V）的Ip并不是最大的，最大峰值Ip通常发生在AC输入电压最低（90V）的时候，所以设计R1时，应取AC90V输入时对应的Ipmax作为限流起始点计算。

图4过流保护电路

3?3输出功率限定电路

图5输出功率限定电路

图6输出功率限定电路（局部）

输出功率限定电路如图5、图6所示。

该IC的脚1起着输出功率限定的作用。即当Vin升高时，Vp′会升高，直到使C1上充电电压VBE令Q2导通，从而使MOSFET截止。限制了Ip也就是限制了输出功率在高压端的进一步提高。

3?4稳压反馈电路

图7稳压反馈电路

稳压反馈电路如图7所示。

该IC的脚5被用作反馈电压输入脚，由光耦合器和三端可变稳压器NJM431完成稳压过程。当流过R1上的电流为恒定时，输出电压就保持恒定。

3?5准谐振运用

如图8所示，准谐振工作方式是由输入脚2的延迟电路和脚3的吸收电路组成的。其波形见图9。由于延时的引入，使MOSFET在VDS的最低处才导通。这样可减少开关电应力和噪声。同时可得到高的效率。

3?6Standby控制电路 如图10所示，当TV在正常接收图象时，一个0V低电平通过R6进入Q2基极，使得Q2截止,Q3导通，Q3的E极经过120Ω电阻提供一个6.3V电压至下一级作为行频起振的VCC之用。与此同时Q1和ZD1截

图8准谐振电路

图9准谐振波形

图10待机控制电路

止。当一个5V高电平Standby控制信号经R6进入时，Q2导通,Q3截止,Q1和ZD1也导通,这使NJM431的VREF升高，输出电压V01、V02、V03下降，此时由于Q1的导通，V03改为由V02通过Q1,R1供电。以保证V03仍然为8V左右，以提供给微处理器正常的工作电压（5V）。

图11欠压保护电路

3?7过压保护电路

过压保护电路是由图10中的ZD1、D1和R12组成的。当V03升高到大于9.1V时，ZD1(8?2V稳压二极管)和D1导通，使NJM431的参考电压VREF上升，光耦晶体管的输出内阻下降,引起输入到脚5的反馈电流升高,ton减小,从而使V01、V02和V03全数下降。

3?8欠压保护电路

如图11所示，当输入交流电压VIN下降到86V时，ZD1和Q1导通，在IC中的MOSFET转为截止。当VIN回升到AC86V以上时，电源自动恢复工作。

4两个设计实例

4?1A620MN3机型（20″）的开关电源及变压器 BCK3904WH设计（例1）

图12给出该机电源原理图。它采用SUMSUNGICSMR60000作为其核心器件。在电路确定之后，变压器设计就是主要工作，下面给出对它的设计步骤。

1）第一步确定开关电源的电气规格

输入电压VIN=AC90～264V

输入频率50Hz/60Hz

输出1VO1=110VIO1=0.6A（用于行包及高压部分供电）

输出2VO2=21.5VIO2=0.7A（用于伴音供电）

输出3VO3=8VIO3=0.3A（用于微处理器供电）

2）第二步计算输出功率和输入功率

输出功率PO=PO1＋PO2＋PO3

=110×0.6＋21.5×0.7＋8×0.3

≈83.5W

假定效率η=85％（一般可做到） 故输入功率PI=PO/η=98.2W

3）第三步确定占空比和开关频率范围

根据实践经验，开关电源应以工作于不连续方式为设计基础，现假定最大占空比Dmax=0.5及fL=41kHz是合理的。至于最高开关频率取决于负荷，输入电流、电压等因素。一般fH≤120～150kHz即可接受。

4）第四步计算已整流的输入电压Vin对VIN=AC90VVinmin=90××0.95≈120.9V对VIN=AC264VVinmax=264××0.95

≈354.6V

应用SMR60000系列设计彩色电视机开关电源

图12用于A620MN3机型的电源原理图

式中系数0.95是考虑了整流二极管、滤波器及线路等的压降。

5）第五步计算初级电流峰值I1P和初级电感L1I1P===2.76AL1===534μH

取L1=530μH

6）第六步磁芯材料的选择选由Mn?Zn功率铁氧体材料PC30做成的磁芯ECR42,其Se=1.94cm2，可允许POmax==94.1W，对计算的PO=83.5W是足够的。

7）第七步计算初级绕组圈数N1==×104=×104==45.7匝取45匝

式中：Se为磁芯截面积（cm2）；

Bs为在100℃时的最大饱和磁通密度,Bs=0.39T；

Br为在100℃时剩磁,Br=0.06T。

并设置磁隙为1mm左右，以防止在开机时因瞬态脉冲电流过大所引起的磁芯饱和。

8）第八步计算各次级输出及驱动绕组匣数NO3=×N1=×45=40.9匝取40匝

下面以NO1为标准计算NO2,NO3NO2=×NO1=7.8匝取8匝NO3=×NO1=2.9匝取3匝

因为MOSFET的门极驱动电压最大承受范围为±20V。为了能够有足够驱动电压，同时又不致于超过承受范围。假定驱动绕组ND的输出为±8V。则有ND≈×NO1=×45=2.98匝取ND=3匝

9）第九步定出BCK?3904WH火牛的电气规格

基于上述的计算,最后我们得出了该火牛设计数据如图13所示。

4?2K9625ABNT5机型（25″）开关电源及其变压器

BCK?4003WH的设计（例2）

图14给出该电源的整体电路。由于现在采用了SMR62000A，它允许有更大的漏极DC电流（达12A）,

图14用于K9625ABNT5机型的电源原理图

(a)BCK?3904WH电气结构

(b)绕组排列（c）骨架底视图

图13BCK?3904WH电气参数及结构图

应用SMR60000系列设计彩色电视机开关电源

可提供更大的功率输出。使此电源能工作在25″～29″彩色电视机中。下面给出对该火牛的设计步骤。

1）第一步确定开关电源的电气规格

输入电压VIN=AC90～264V

输入频率50Hz/60Hz

输出1VO1=145VIO1=0.7A

输出2VO2=25VIO2=1.0A

输出3VO3=8VIO3=0.3A

2）第二步计算输出功率和输入功率

输出功率PO=PO1＋PO2＋PO3

=145×0.7＋25×1.0＋8×0.3≈129W

假定效率η=85％（一般可做到）

故输入功率PI=PO/η=151.6W

3）第三步确定占空比Dmax和最低开关频率fL范围

Dmax=0.5及fL=41kHz

4）第四步计算已整流的输入电压Vin

对低压端VIN=AC90VVinmin=90××0.95≈120.9V

对高压端VIN=AC264VVinmax=264××0.95≈354.6V

5）第五步计算初级电流峰值I1P和初级电感L1I1P===4.27AL1===346μH

考虑29″机以后会多带伴音Woofer15W的功率。I1P会有所提高，故取L1=300μH

6）第六步磁芯材料的选择选磁芯ECR53（由PC30材料做成的），其磁芯截面面积Se=2.54cm2，窗口面积S=1.60cm2，该磁芯可允许最大输出功率POmax===161.3W，对计算的PO=129W是足够的。

7）第七步计算初极绕组圈数N1N1=×104=×104

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==30.6匝取32匝
8）第八步计算各次级输出及驱动绕组匣数NO1=×N1=×32=38.4匝取38匝

下面以NO1=38匝为基准求NO2、NO3：NO2=×NO1=6.5匝取NO2=6匝。NO3=×NO1=2.1匝取NO3=2匝

求驱动绕组ND：ND=×N1=2.1匝取ND=2匝

9）第九步定出BCK?4003WH火牛的电气规格

基于上述的计算，最后我们得出了该火牛设计数据如图15所示。

5测试结果

5?1开关电源例1的测试结果

1）测试条件

主电源230V50Hz

负荷AKA120″彩色电视机

输入功耗71W(在最大亮度,最大音量时)

2）实际波形vDS和is(源极电流)的实际波形如图16所示。其随输入电压VIN变化的测量结果列于表1。

3）输入电压调整率从表1可看出,当输入交流电压由90V变到264V时其输出电压VO1最大只有0.3V的变化。

4）负载变化调整率在原有20″彩色电视机负荷的基础上再并联一个额外的40W灯泡于V01端口上,使其输出电流增加0.33A,发现VO1只下降0.9V,符合其厂家规定的±1V的要求。

表1SMR60000的稳态开关特性(测量值)VIN/VVDS/VIs/Aton/μstoff/μsf/kHzVO1/V
903342.4013.012.439.4111.1
1604222.036.211.058.1110.7
2305191.973.910.868110.7
2645631.813.210.771.8110.8
5）STANDBY输入功耗

PIN(S.B.)=7W(在VIN=230V时)。

6）AC/DC转换效率η=85％

5?2开关电源例2的测试结果

输入电压VIN90～264V

输出电压VO1145V

输入电压调整率当VIN=90～264V时,VO1=145V±0.2V

负载变化调整率当IO1=0.3A～0.6A时,VO1=145V±0.3V

STANDBY输入功耗PIN(S.B.)=7W

效率η=85％

开关频率范围40kHz～120kHz

S.B.频率6.7kHz(间歇振荡)

6结语

利用SAMSUNG电源ICSMR60000/62000A初步成功设计和制成了两种实用型的彩电用开关电源。包括图像质量,安全试验和EMC测试等实验结果都比较满意。性能价格比较高。但为满足市场现时对输入电流的低谐波失真要求,该电源还需要加入PFC电路。