- 全固態(tài)電視發(fā)射機(jī)中的高性能開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)
- 通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)改變占空比
- 通過(guò)接入源極， 反饋電阻Rs 去控制電流檢測(cè)比較器
為了建設(shè)低碳可持續(xù)型社會(huì)，人們對(duì)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(kāi)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(xué)技術(shù)理論研究不斷深化，功率變換器拓?fù)浼捌鋵?duì)偶理論日益完善。如今開(kāi)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(dá)到90%以上。完全適應(yīng)當(dāng)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源是實(shí)現(xiàn)綠色能源的重要手段，也是今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間綠色能源發(fā)展方向。
全固態(tài)發(fā)射機(jī)，除了信號(hào)指標(biāo)的提升外，體小量輕、高效低耗、積木式結(jié)構(gòu)維護(hù)簡(jiǎn)單是它的顯著優(yōu)點(diǎn)，其供電方式采用六只26V/100A 開(kāi)關(guān)電源分別為六路末級(jí)功放供電。開(kāi)關(guān)電源是整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的能量保障，本文介紹開(kāi)關(guān)電源分類、工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及維修方法等。
一、開(kāi)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(jiǎn)稱PWM、即脈寬調(diào)制）式：工作方式為開(kāi)關(guān)周期為恒定值，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)改變占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。
2、脈沖頻率調(diào)制（簡(jiǎn)稱PFM, 即脈頻調(diào)制）式：工作方式為脈沖寬度為恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)改變占空比。
3、脈沖密度調(diào)制（簡(jiǎn)稱PDM,即調(diào)密制）式：其特點(diǎn)工作方式是脈沖寬度為恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖數(shù)實(shí)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(kāi)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(kāi)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(shí)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源在實(shí)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(zhǔn)方波電壓控制功率開(kāi)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(dòng)功率開(kāi)關(guān)管的占空比。從而可以得到穩(wěn)定的輸出電壓。
通過(guò)以上介紹我們基本了解了開(kāi)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(shí)際運(yùn)用中，PWM 制式開(kāi)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(kāi)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(guò)接入源極， 反饋電阻Rs 去控制電流檢測(cè)比較器。Us 為電流檢測(cè)電阻壓降， 此時(shí)PWM 比較器為電流檢測(cè)比較器。電流控制型通過(guò)檢測(cè)電阻來(lái)檢測(cè)電流，并且可逐個(gè)周期的限制電流，便于實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。固定頻率的時(shí)鐘脈沖將PWM 鎖存器置位，從Q 端輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，使功率開(kāi)關(guān)管VT 導(dǎo)通，高頻變壓器一側(cè)電流線性地增大。當(dāng)電流檢測(cè)電阻Rs 上的壓降達(dá)到并超過(guò)Us 時(shí)，電流檢測(cè)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(dòng)信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑铋_(kāi)關(guān)管關(guān)斷直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖使PWM 所存器置位。電流控制型開(kāi)關(guān)電源具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（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(duì)輸入電壓瞬時(shí)變化的響應(yīng)速度快，當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)能迅速調(diào)整輸出電壓以達(dá)到穩(wěn)定值。這是因?yàn)檩斎腚妷旱淖兓瘯?huì)導(dǎo)致高頻變壓器一側(cè)電感電流發(fā)生變化，進(jìn)而使Us 改變，無(wú)須經(jīng)過(guò)誤差放大器，直接通過(guò)電流檢測(cè)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(biāo)。簡(jiǎn)化誤差放大器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。
（4） 只要電流保護(hù)設(shè)定閥值，PWM 電流比較器就會(huì)動(dòng)作，使功率開(kāi)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(hù)，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(wèn)題分析帶來(lái)了困難。當(dāng)占空比超過(guò)50%時(shí)，高頻變壓器一側(cè)電感工作在連續(xù)儲(chǔ)能模式，開(kāi)關(guān)電流信號(hào)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(bǔ)償。對(duì)噪聲抑制能力較差，只要在電流信號(hào)上疊加較小噪聲，就容易導(dǎo)致PWM 控制器誤動(dòng)作，需增加噪聲抑制電路等。
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三、固態(tài)發(fā)射機(jī)中開(kāi)關(guān)電源原理及維修
以上是開(kāi)關(guān)電源基本原理和控制方式的介紹，結(jié)合我們實(shí)際工作中固態(tài)發(fā)射機(jī)開(kāi)關(guān)電源控制方式以及理論理解，使我對(duì)大功率開(kāi)關(guān)電源原理、整體控制方式有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。現(xiàn)以5kW- 14CH 大功率合放式全固態(tài)電視發(fā)射機(jī)直流26V/100A 正激開(kāi)關(guān)電源變換器的工作原理和維修方法來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下，如圖1- 3 所示：
輸入電壓220V AC 經(jīng)過(guò)輸入防電磁干擾濾波器，經(jīng)過(guò)整流電路、開(kāi)機(jī)浪涌電流啟動(dòng)保護(hù)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?、電流比較放大器，PWM 比較器，輔助電源等，它控制一個(gè)雙晶體管正激變換器，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓目的，經(jīng)變壓器耦合向負(fù)載傳輸能量。
對(duì)于大功率輸出開(kāi)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(shí)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，是大功率開(kāi)關(guān)電源較為理想電路之一。
通過(guò)以上簡(jiǎn)單原理介紹，我們就可以對(duì)開(kāi)關(guān)電源的檢修有一定的幫助。現(xiàn)在我以圖1- 3為參考介紹一下開(kāi)關(guān)電源的幾種簡(jiǎn)單維修方法：
1、詢問(wèn)法：根據(jù)工作人員在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)電源的異常情況的敘述加以分析，從中分析開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)題所在。例如，開(kāi)關(guān)電源輸入功率較大時(shí)，每臺(tái)開(kāi)關(guān)電源需要增加風(fēng)冷或者水冷，一般開(kāi)關(guān)電源為風(fēng)冷，當(dāng)風(fēng)扇出現(xiàn)故障時(shí)，開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部熱量劇增，出現(xiàn)異味，當(dāng)溫度升至設(shè)定保護(hù)值時(shí)，開(kāi)關(guān)電源停止工作，無(wú)電壓輸出，停機(jī)重啟一段時(shí)間后又重復(fù)出現(xiàn)故障。
此時(shí)我們可以通過(guò)檢查熱保護(hù)功率管散熱元件，看溫升情況，同時(shí)檢查冷卻風(fēng)扇就可以找到問(wèn)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(hù)電路。
從上我們可以知道通過(guò)詢問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)工作人員開(kāi)關(guān)電源的工作狀態(tài)，會(huì)給我們維修帶來(lái)許多珍貴信息，為維修帶來(lái)方便。
2、觀察法：通過(guò)觀察開(kāi)關(guān)電源的每一個(gè)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(kāi)路狀況，我們可以根據(jù)不同異常點(diǎn)來(lái)分析判別故障點(diǎn)，從而判斷出開(kāi)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(shí)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(jí)B1出現(xiàn)短路現(xiàn)象。（3）：RCD 緩沖保護(hù)電路損壞。（4）：過(guò)流短路保護(hù)電路損壞。雙功率管修復(fù)時(shí)除了檢查保護(hù)電路、變壓器外，還應(yīng)該檢查雙管柵極驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)闊龎碾p功率管時(shí)短路電流較大，還可能造成其輸入電路的損壞，此時(shí)應(yīng)檢查輸入整流浪涌保護(hù)電路是否完好。通過(guò)觀察可以迅速判斷開(kāi)關(guān)電源損壞部分，為快速修復(fù)開(kāi)關(guān)電源提供直觀修復(fù)方法。
3、測(cè)量對(duì)比法：通過(guò)檢測(cè)各點(diǎn)正常電壓加以比較就判別出故障部位。如開(kāi)關(guān)電源無(wú)電壓輸出，此時(shí)各點(diǎn)測(cè)量輸入回路電壓、輔助電源。
當(dāng)輔助電源無(wú)電壓輸出時(shí)，CW1525 驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法工作，開(kāi)關(guān)電源無(wú)電壓輸出，應(yīng)檢修輔助電源，當(dāng)輔助電源正常，應(yīng)檢查CW1525 驅(qū)動(dòng)輸出電路， 可采用斷開(kāi)驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O方法辨別CW1525 驅(qū)動(dòng)電路的好壞，同時(shí)采用分段測(cè)量方法檢查雙功率管是否開(kāi)路，重點(diǎn)檢查CW1525 控制電路、熱保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路等，以上幾種電路中只要有一種出現(xiàn)故障，均會(huì)出現(xiàn)無(wú)電壓輸出。又如輸入電壓正常，輕載工作正常，當(dāng)測(cè)量時(shí)，加載電流達(dá)到實(shí)際輸出電流的80%時(shí)，輸出電壓正常無(wú)下降狀況，開(kāi)關(guān)電源突然關(guān)斷，無(wú)電壓輸出，減載開(kāi)機(jī)輸出電壓正常。對(duì)此可判別出是因短路過(guò)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(hù)提前動(dòng)作所致。合理調(diào)整D1、D2 兩端分流電阻R3 阻值就達(dá)到修復(fù)此故障的目的。
通過(guò)以上幾種處理故障維修方法在實(shí)際中的運(yùn)用，就完全可以提高自己對(duì)開(kāi)關(guān)電源原理的理解，從而在加深原理理解后，運(yùn)用原理去指導(dǎo)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(tái)發(fā)射機(jī)電源應(yīng)滿足的技術(shù)指標(biāo)
1、電視臺(tái)發(fā)射機(jī)功率一般都比較大，少則幾KW,多則幾十KW,選擇開(kāi)關(guān)電源時(shí)，應(yīng)首先考慮其運(yùn)行的可靠性，常采用多臺(tái)并聯(lián)均流供電方式。要求開(kāi)關(guān)電源的并聯(lián)均流不平衡度≤±3%,電視臺(tái)用發(fā)射機(jī)是變量負(fù)載，所以選擇開(kāi)關(guān)電源時(shí)應(yīng)選用瞬變負(fù)載能力較強(qiáng)的開(kāi)關(guān)電源。
2、開(kāi)關(guān)電源在工作中會(huì)產(chǎn)生高次諧波、紋波系數(shù)，它們必須滿足臺(tái)用發(fā)射機(jī)的技術(shù)要求，否則會(huì)影響發(fā)射機(jī)的發(fā)射性能。單臺(tái)機(jī)器的紋波系數(shù)應(yīng)<50mv,對(duì)諧波干擾要求必須滿足歐美EN55022B、U1950 及我國(guó)3C 認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
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(kāi)關(guān)電源。
4、單臺(tái)開(kāi)關(guān)電源負(fù)載功率密度≥0.28W/cm3.
5、單臺(tái)開(kāi)關(guān)電源輸出最大功率時(shí)，疊加在直流電壓上的紋波電壓的峰峰值應(yīng)<50mV.
6、開(kāi)關(guān)電源在空載開(kāi)機(jī)時(shí)，輸出會(huì)產(chǎn)生超過(guò)額定電壓值的瞬時(shí)過(guò)沖，此過(guò)沖值應(yīng)<1V.
7、電源模塊的負(fù)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(shí)輸出會(huì)產(chǎn)生超出額定電壓值的瞬時(shí)過(guò)沖，此過(guò)沖值應(yīng)<1V.
8、電源儲(chǔ)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(yǔ)。
合理選擇電路技術(shù)參數(shù)，可以滿足現(xiàn)代化電視臺(tái)發(fā)射機(jī)電源的功率因數(shù)、效率、體積、重量等性能要求。良好的開(kāi)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(dòng)態(tài)性能優(yōu)越，可自動(dòng)限制輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，又能在負(fù)載突變的情況下實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，確保發(fā)射機(jī)安全可靠運(yùn)行。
