浅谈彩色电视机开关电源的工程设计（下）

浅谈彩色电视机开关电源的工程设计（下）

摘要：在扼要阐明单管反激型变换器的原理、特点基础上，着重讨论了它在彩电方面的重要应用；指出彩色电视机电源对反激型变换器的特殊要求、技术难点和对策，介绍了设计范例并给出了工厂研制开发电视机电源的全流程。

关键词：彩色电视机开关电源；反激型变换器；设计

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  彩色电视机对反激型变换器的设计要求及其技术难点

    图9示出了一个典型的用于彩色电视机电源的它激式准谐振反激型变换器方框图。首先要求变换器在宽的输入市电范围(90～270V)内保持良好的电压调整率和负载变化调整率，选择的控制IC要有高的AC/DC转换效率，低的STANDBY功耗以及PFC功能。为节省起见，通常只用单功率管作开关，其次级侧设有三个输出绕组以供电视机的正常工作，它们是：

图9  带PFC的 准 谐 振 反 激 型 变 换 器

    1）第一绕组为主输出Vo1，高压(106～165V)，大功率(53～100W)，用于电视机行包及衍生的CRT各电极等供电。反馈支路的采样电压就是从这一绕组引出的，因此它的稳定度要求是各输出绕组中最高的，它直接影响了图像的质量和稳定度。此外在Vo1上伴有的开关高频噪声(约0.5～1V峰-峰值)往往是传导性电源干扰的源头，必须设法克服它。

    2)第二绕组专供伴音电路，其输出电压Vo2在12～25V之间，输出功率则取决于整机的伴音播放功率。一般来说伴音输出功率要求越大就越难做，因为音量的变化会通过开关变压器耦合到Vo1，引起声音干扰图像的难题。这时试图单靠在伴音供电支路内插入CR退耦元件来解决问题是不适合的，因为这会引起PCB底板温升提高及效率降低，而且也不可能完全有效消除干扰。实践证明，此时最有效的办法就是调整开关变压器内各绕组的相对位置，从结构层次上使Vo1绕组与Vo2绕组尽可能远离，其办法是如图10所示，让初级绕组插入其中，同时还需要精细调节Vo2绕组相对于线包边缘的留空位置d，以达到最佳效果。

图10  一 个 有 效 减 少 伴 音 干 扰 图 像 的 线 包 结 构

    3)第三绕组专供机内的微处理器＋5V电源用，其输出电压Vo3在8～12V之间。Vo3的具体数值要选得适当，过高会引起整机STANDBY功耗升高，过低则有时会开不了机(例如在低温下)。国标要求彩色电视机的STANDBY功耗小于5W，这是很严的要求。如果没有特别措施(例如加入辅助变压器等)，一般的单管反激型变换器是做不到的。

    上面介绍了为使彩色电视机正常工作而对反激型变换器次级输出的基本要求。但在工业生产中，作为一个成品电视机开关电源，在投放批量生产之前还须经过一系列环境和安全试验，它们至少包括：

    1）周边元器件的短路试验和开路试验；

    2）AC264V/90V下各元器件的温升测试；

    3）高温(45℃),高压(AC264V)1000h负荷试验；

    4）低温(－10℃)开机及负荷试验；

    5）EMC试验；

    6）10kV雷击浪涌电压试验。

    另外还须克服上面提到的开关电源噪声对PCB板上其它部件的传导干扰和辐射干扰，必须克服电视伴音通过开关电源引起对电视图像的干扰等等。由于测试的方面很多，有时会对电源电路中的某些元器件产生相互矛盾的要求，这时就需要找寻最佳折衷方案。

4  开关电源变压器的设计

    在反激型变换器中，由于导通时初级电流全数向磁芯充磁，当输出功率稍大一点时，磁芯就极易饱和，导致开关管的损坏。图11示出一个TV电源在待机转为开机瞬间，其开关管的Vce和Ic建立的全过程。图12是扫描记录的其中几个最高的电流Ic波形。由图12可知在ton的后期，ic上升的斜率急剧增加，这是因为在开机过程中电流过大引起磁芯饱和，使有效的初级电感减少所致。这是一个恶性循环，它会进一步引起电流升高，最后导致初级电感短路而烧毁开关管。

图11  由 待 机 转 为 开 机 瞬 间ic，vce建 立 过 程

图 12  由 待 机 转 为 开 机 瞬 间 变 压 器 饱 和 时ic波 形

    解决这个问题有两种方法，其一是使用加大Size号的铁氧体磁芯，其二是加大磁芯的空气隙。一般判断磁芯Size是否合适，可运用经验公式（19）

       Pomax=     (19)

式中：Pomax是该磁芯未饱和前可允许的最大输出功率；

      Se是磁芯的截面积。

    例如选EER42，磁材用PC30，查相关手册得知其磁芯截面积Se=2.01cm2,窗口面积S=2.00cm2,则该磁芯可允许的最大输出功率Pomax==101W。

    在输出功率确定后，选择相对大Size的磁芯会有效地防止变压器磁芯饱和，但它却带来电源所占空间和成本的增加，有时这是不允许的。此时就需要使用第二种方法，即在现有磁芯中开设并适当加大其空气隙。磁芯开空气隙后会产生两个效果：一是磁滞迥线向下倾斜，引起磁导率和剩磁的下降；二是提高了饱和前磁芯可承受的安匝数，如图13所示，从而有效地防止了变压器磁芯过早进入饱和。

图 13  加 入 空 气 隙 拉 扁 了 磁 芯 的 磁 滞 迥 线 形 状

    下面给出一个设计反激型变换器变压器的例子(对应电路见图9，但省去PFC部分)：

已知     输入电压范围    Vin=AC 85～265V

         输出电压    Vo=125V，V1=12V，V2=25V

         输出电流    Io=0.7A,I1=0.4A,I2=0.4A

         输出功率

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

         开关频率    fs=30kHz

    1）计算在Vin(AC)min=85V时的占空比D

       VDCmin=Vin(AC)min××0.9=108.2V

式中系数0.9是考虑到输入电压的波形失真以及整流二极管压降而加入的。

    假定D=0.5时的输入电压VDC=130V(见表2)，则在最低输入电压Vin(AC)min=85V下的D为

     D===0.546

考虑准谐振方式会带来平均约2～3μs的延迟，所以真实的占空比应为

      D′=D×=0.546×=0.513

式中：T=1/fs；td=延迟时间。

表2  AC输入电压与VDC（50％）

    2）计算Lp

    假定该电源的AC/DC转换效率为η=0.80,则有

     Lp=×η=×0.80=0.40mH

    3）计算初级电流峰值I1p

    输入平均电流

    Iin====1.18A

    初级电流峰值I1p==4.6A

    或I1p====4.6A

    4）变压器设计

    根据输出功率Po选择磁芯的Size，并从厂家给出的图14，图15所示的NIlimit（磁芯饱和前允许的最大安匝数）相对于AL值（即电感系数，），以及AL值相对于Air gap length(空气隙长度)的这两个图形中求出初级绕组圈数Np。

图14  对 应H7C1和H7C4的EFC42型 带 气 隙 磁 芯 的NI1imit与AL的 关 系 曲 线 （ 典 型 曲 线 ）

注 ：NI1imit显 示 励 磁 电 流 点 离 开 其 线 性 延 伸 部 分20％ 和40％ 。

图15  对 应H7C1和H7C2的EFC42磁 芯 的AL值 与 空 气 隙 长 度 的 关 系 曲 线 （ 典 型 曲 线 ）

测 试 条 件 ： 线 圈φ0.35  2UEW  100匝 ；频 率  1kHz； 电 流  0.5mA。

    由式（19）及厂家给出的磁芯尺寸资料可定出所用型号磁芯。对宽输入电源亦可使用表3推荐规格。

表3  宽输入电源推荐磁芯规格

    由Np2=×109求初级绕组匝数Np，因为从图15中得知，气隙长度取1mm时对应的AL=300nH／N2，故有

     Np2=×109=1.333×103

    Np≈37匝（注意：实用中，气隙长度最好取小于1mm，因为若气隙过大，会引起漏感增加）

    求变压器的起始饱和电流IL为

     IL(20％)=  （20）

式中：IL（20％）为磁芯的励磁电流（或者说AL值）已从其饱和点下降了20％的IL值；

      NI为变压器安匝数。

    由图14查出，当AL=300nH／N2时，知NI=290安匝，故有IL（20％）==7.8A，因为7.8A表征的是励磁电流已从其饱和点下降了20％的IL，故真正进入饱和点的电流IL应为

     IL==6.5A

    这个数字约为正常工作时I1p=4.6A的1.44倍。考虑到开关导通和负载跃变带来的过流上冲，保持这个差距是必要的。

    求次级主绕组匝数Ns可使用

    =   (21)

式中：Vo是次级主输出DC电压；

      VDC（50％）是占空比D=50％时的输入DC电压。

    工程上VDC（50％）的决定取决于电源的不同输入电压范围以及开关管的不同耐压值，如表2所示。

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

    由此可求出次级绕组的每匝伏数===3.47，利用此值即可求出第二，第三个输出绕组匝数

    N2==3.4     取N2=3匝

    N3==7.2     取N3=7匝

5  PFC功率因数校正电路

    为了满足对输入端谐波电流限制的新规定，电视机电源也应具备PFC功能。为节约成本，早期的电视机采用无源PFC充电泵电路，如图16所示，虽说能解决一定问题，但调试难度较大，降低了可靠性[6]。

图 16  无 源 PFC充 电 泵 电 路

    现在比较倾向于采用有源PFC技术，多数应用Boost变换器。图17示出一个最新的使用由Infineon公 司 出 品 的 TDA4863组 成 的 110 W PFC功 能 电 路[7]， 其 输 入 电 压 适 用 范 围 为 AC 85～ 265 V， 输 出 稳 定 在 DC 396 V， 其 PF接 近 于 0.99， 最 大 输 出 功 率 达 到 110 W， 效 率 至 少 为 0.9， 该 电 路 可 适 合 于 29″ 以 下 的 彩 色 电 视 机 用 。

图 17  TDA4863-PFC原 理 图 （ 120W）

6  电视机开关电源工程设计流程

    上面介绍了对电视机开关电源工程设计的一般方法，但是因为开关电源是一门实践性很强的技术，单纯地依靠一般的理论计算是绝对不可能达到安全可靠和实用目的的。这时需要在性能上多方测试，在实验上反复调整，为了确保电源的高质量以及大批量生产的一致性，在工业上对开关电源的研发和性能评估都制订有一套完整的流程，如图18所示。

图18  电 视 机 电 源 的 设 计 和 性 能 评 估 流 程 图

参考文献

[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]  冯镇业.利用TDA16846设计34″彩色电视机开关电源[J].电子元器件应用,2000,2(4):23－28.

[4]  冯镇业.利用STR－F6656设计34″彩色电视机开关电源[J].电源技术应用,2001,4(1):27－31.

[5]  冯镇业.一个简易型115VAC供电的彩色电视机开关电源[J].电源技术应用,2001,4(3):74－77.

[6]  冯镇业.开关电源控制器TDA16846无源功率因数校正电路的原理和应用[J].电子元器件应用,2000,2(5):8－11.

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