|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ ТЕЛЕВИЗОРОВ СТАТЬЯ №1-50---->
СХЕМЫ ТЕЛЕВИЗОРОВ СТАТЬЯ №51-100
Новое поколение источников питания телевизоров. TDA 16846, TEA 1504, TEA 1507, SPP03N605, IRFPC50.
Б.Хохлов
В новых источниках питания (ИП) приняты меры по увеличению КПД, уменьшению потребления энергии в ждущем режиме и снижению создаваемых помех. Для достижения этих целей в ИП используются новые компоненты и, прежде всего, микросхемы.
Концепция фирмы Infineon
Фирма разработала серию микросхем TDA1684X для ИП. Микросхемы выпускаются в корпусе DIP-14, имеют пониженное потребление тока и могут работать как с управлением по первичной цепи, так и с использованием цепи обратной связи с оптроном. В качестве напряжения питания используется выпрямленный сигнал с обмотки трансформатора, который поступает на выв. 14 микросхемы. С выв. 13 снимается управляющий сигнал, подаваемый на затвор мощного ключевого транзистора, осуществляющего коммутацию сигналов. На выв. 3 через делитель напряжения подается сигнал обратной связи с обмотки трансформатора, питающей микросхему. Дополнительно на выв. 5 может быть подано управляющее напряжение с одной из вторичных обмоток трансформатора через выпрямитель и оптрон. Это усложняет схему, но существенно повышает стабильность выходных напряжений. Выв. 6, 10, 12 микросхемы заземляются.
При номинальной мощности ключевой транзистор переключается в каждом цикле задающих колебаний. Для сохранения высокого КПД при снижении потребляемой мощности срабатывание происходит с пропуском одного, двух или большего числа циклов. В результате в ждущем режиме рабочая частота снижается до 20 кГц, а потребляемая от сети мощность — примерно до 1 Вт.
В существующих ИП потребление тока от сети резко увеличивается, когда сетевое напряжение превышает напряжение на фильтрующем конденсаторе выпрямителя. Форма тока становится несинусоидальной, что снижает КПД и увеличивает по
мехи в виде высших гармоник. Для приближения формы потребляемого тока к синусоидальной вместо обычной цепи ограничения, состоящей из диода VD, резистора R и конденсатора C (рис. 1),
применяют схему зарядовой помпы (рис. 2),
которая содержит дроссель L, конденсатор С и диод VD. На рис. 3 приведены ее временные диаграммы.
В момент t0 транзистор VT открывается микросхемой TDA1684X. Напряжение Vt на стоке транзистора уменьшается с 600 В до нуля. Ток Ip через первичную обмотку трансформатора начинает расти, создавая на ней падение напряжения. Уменьшающееся напряжение Vt передается через конденсатор С в точку Р, напряжение в которой падает с 400 до примерно -200 В. Через дроссель L начинает протекать возрастающий ток IL, который заряжает конденсатор С, и напряжение Vp увеличивается. В момент t1, когда увеличение энергии, запасенной в дросселе и трансформаторе, прекращается, транзистор VT закрывается управляющим напряжением, поступающим с микросхемы. Напряжения Vp и Vt быстро увеличиваются, пока Vp не достигнет значения Vcp = 400 В на конденсаторе Ср. Далее напряжение Vp поддерживается на этом уровне, а Vt продолжает расти. Ток IL начинает протекать через диод VD и конденсатор Ср. Так как диод VD открыт, первичный ток Ip протекает через элементы Lp, C и D до момента времени t2, когда происходит разряд энергии через вторичную обмотку и сопротивление нагрузки. В период t2-t3 ток IL уменьшается, а напряжение Vp = Vcp. В момент t3 транзистор VT вновь открывается. Напряжение Vp сначала быстро уменьшается, а потом начинает увеличиваться и достигает значения Vcp в момент t4. Ток Ic через конденсатор С в интервале t4-t5 снижается до нуля, а в интервале t5-t6, когда транзистор вновь закрывается, увеличивается до максимального значения. В схеме с зарядовой помпой изменение тока IL от выпрямителя, в отличие от обычной схемы, происходит плавно, что повышает КПД и снижает помехи. Для нормальной работы зарядовой помпы диоды выпрямительного моста должны быть достаточно быстродействующими, т. е. иметь малое время восстановления.
На рис. 4 приведена принципиальная схема ИП для телевизора среднего класса.
Все позиционные обозначения элементов на принципиальных схемах (рис. 4-6) соответствуют оригиналу.
Стабилизация выходных напряжений осуществляется схемой обратной связи с оптроном AD2. Опорное напряжение формируется стабилизирующей микросхемой AD3 (TL431 фирмы Texas Instrument). Микросхема содержит операционный усилитель и внутренний источник эталонного напряжения примерно на 2,4 В. Когда напряжение на управляющем электроде оптрона меньше эталонного, напряжение на нагрузочном резисторе R11 может регулироваться. Когда управляющее напряжение достигает уровня эталонного, микросхема открывается, и катодный ток может достигнуть 100 мА. Управляющее напряжение регулируется переменным резистором R15, что изменяет, в некоторых пределах, выходные напряжения источника. Так, выходное напряжение V1 может регулироваться от 85 до 118 В. Если разомкнуть ключ S1 (этим ключом может быть транзистор, соединенный с процессором управления телевизором), опорное напряжение на катоде микросхемы AD3 снижается до 1,9 В. В результате ИС переводит ИП в режим вспышек. На обмотках 5-6 и 9-10 формируются только кратковременные пакеты колебаний. На выходе V2 источника сохраняется постоянное напряжение около 10 В, которое может быть использовано для питания схемы управления. Резистор R9, соединяющий выв. 14 микросхемы AD1 с одним из проводов сети, повышает частоту вспышек, что уменьшает мощность, потребляемую в ждущем режиме.
В цепи стока транзистора VT1 включен диод D09, предотвращающий протекание тока через элементы L08, C08 и первичную обмотку трансформатора после его разрядки. Между мостовым выпрямителем и дросселем L08 включен дополнительный диод D05. На выходе моста включен конденсатор С05 относительно небольшой емкости. Такая схема позволяет уменьшить емкости конденсаторов сетевого фильтра С02-С04, кроме того, снижаются требования к быстродействию диодов моста. Быстродействующим должен быть только диод D05. Цепь
устраняет колебательный процесс при переходе напряжения сети через нулевое значение.
Для нормальной работы ИП очень важно правильное выполнение монтажа. Земляные проводники входной части блока, гальванически соединенные с сетью, должны радиально подключаться к одной точке, соответствующей выв. 6, 10, 12 процессора и нижнему выводу обмотки 1-2 на рис. 5. Выводы с 1 по 5 микросхемы должны соединяться с внешними компонентами кратчайшими проводниками. При двухсторонней печати на противоположной от этих выводов стороне платы должно быть земляное поле.
Фирмой Infineon разработана новая серия мощных полевых ключевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) SPPХXN60С2, рассчитанная на напряжение 600 В и ток от 1,9 А (ХХ=02) до 20 А (ХХ=20). Эти транзисторы пришли на смену известных BUZ90/92. Особенность транзисторов — малые потери при коммутации, что снижает мощность рассеивания и температуру корпуса. Поэтому новые транзисторы называются Cool Mos.
Ферритовые сердечники импульсных трансформаторов для микросхемы TDA1684X с маркировкой TD ABCD (например TD3612 для ИП, показанного на рис. 4) выпускает фирма Thomson television Components, Франция. Каркас трансформатора для таких сердечников выполняется со щечками, образующими 9 узких секций. Все обмотки наматываются одинаковым проводом диаметром 0,28 мм с высоковольтной эмалевой изоляцией. Первичная обмотка 3-4 состоит из пяти частей по 54 витка каждая, которые наматываются в секции 1, 3, 5, 7 и 9. Все части соединяются согласно и параллельно и образуют одну обмотку. Обмотка обратной связи 1-2 содержит пять витков и наматывается в секцию 4. Вторичная обмотка 5-6 содержит четыре части по 52 витка, которые намотаны в секции 2, 4, 6, 8
и соединены параллельно. Обмотка 7-8 включает две части по 9 витков, намотанных в секции 4 и 8 и соединенных параллельно. Аналогично выполнена обмотка 9-10, содержащая две части по 12 витков, размещенных в секциях 4 и 8 и соединенных параллельно. В сердечнике трансформатора предусмотрен зазор, при котором индуктивность первичной обмотки 3-4 составляет 0,55 мГн.
Рассмотренный ИП позволяет снять с вторичных обмоток мощность около 65 Вт при КПД = 85%.
Концепция фирмы Philips
Фирма разработала «Экологическую» (Greeny) серию микросхем для ИП. Основой первого поколения этой серии является микросхема TEA1504, работающая с внешним ключевым транзистором и обеспечивающая мощность до 200 Вт. Серия включает также маломощную микросхему TEA1501, которая служит для питания процессора управления
в ждущем режиме, и микросхему TEA1566, обеспечивающую питание телевизора и содержащую в своем составе мощный MOSFET-транзистор. Микросхемы могут использоваться как раздельно, так и совместно, например TEA1504 c
TEA1501.
Принципиальная схема ИП на микросхеме TEA1504 приведена на рис. 5.
Микросхема работает при напряжении сети 90...276 В. В ждущем режиме источник потребляет менее 2 Вт. Предусмотрена защита от короткого замыкания на выходе. Мостовой выпрямитель соединен с сетью через подавляющий помехи фильтр. Выпрямленное напряжение поступает на источник через термистор R9, сглаживающий выброс тока при включении питания. Напряжение питания подается на первичную обмотку 1-4 трансформатора Т2 и непосредственно (без делителя) на выв. 1 микросхемы. В ИП отсутствует сетевой выключатель. Его заменяет ключ S1, при размыкании которого
источник переходит в режим с малым потреблением тока. Используется MOSFET-транзистор IRFPC50 (VT1) фирмы Philips, расчитанный на напряжение 600 В с сопротивлением насыщения 0,5...0,7Ом. В ИП нет зарядовой помпы. Цепь подавления выбросов VD7R13C9 ограничивает пиковое напряжение на стоке транзистора при его закрывании. Скорость изменения напряжения ограничивается цепью C10VD9R18, тем самым ограничивается и мощность рассеивания при закрытом транзисторе. Резистор R12 в цепи затвора определяет скорость включения и выключения источника. Его сопротивление должно быть не менее 5,6 Ом для предотвращения осцилляций, вызванных паразитными емкостями и индуктивностями, что может вывести транзистор из строя. Трансформатор T2 рассчитан на напряжение 5,8 В на виток. В выходных обмотках должно учитываться падение напряжения на открытых переходах диодов.
Напряжение обратной связи, поступающее на микросхему TEA1504, может сниматься как с первичной, так и с одной из вторичных обмоток трансформатора Т2. Первый вариант проще, второй обеспечивает большую точность. В рассматриваемом источнике обратная связь осуществляется с вторичной обмотки 11-12. Эталонное напряжение формируется стабилизирующей микросхемой AD4. Сигнал ошибки проходит через оптрон AD2 на микросхему TEA1504, где осуществляется широтно-импульсная модуляция. ШИМ-сигнал поступает на транзистор VT1. Частота импульсов при регулировке остается постоянной, т. е. меняется соотношение интервалов времени, когда транзистор открыт и закрыт. С помощью резисторов R14-R17, параллельно включенных в цепь истока, измеряется импульсный ток, протекающий через транзистор и первичную обмотку трансформатора. Амплитуды импульсов пропорциональны мощности, проходящей на выход. Максимально достижимая мощность ограничивается сопротивлением измерительного резистора в цепи истока.
При коротком замыкании на выходе обмотка 8-9 трансформатора
Т2 перестает заряжать через диод VD10 конденсаторы С11 и С12. Напряжение Vaux на выв. 6 микросхемы AD1 становится ниже стартового уровня. Внутренний генератор тока увеличивает Vaux до стартового уровня. Микросхема начинает работать, но напряжение Vaux вновь уменьшается до уровня ниже порогового. Цикл повторяется, пока сохраняется короткое замыкание, без ущерба для источника питания.
Как уже указывалось, вместо сетевого выключателя в источнике используется ключ S1. Когда ключ разомкнут, напряжение на выв. 14 (OOB) микросхемы AD1 становится ниже 2,5 В, микросхема выключается, а потребляемый ток сокращается до значения меньшего 300 мкА. При замыкании ключа процессор проходит процедуру запуска и начинает работать. В нормальном режиме частота колебаний составляет 50 кГц. Ее можно регулировать в пределах 50...90 кГц, меняя сопротивление резистора R5 (выв. 8 микросхемы). Когда выходная мощность снизится до 10% от номинала, частота уменьшится в 2,5 раза, что сократит потери на переключения.
Микросхема AD1 содержит схему защиты от чрезмерного изменения сетевого напряжения. Выпрямленное напряжение через делитель R1R2R4 подается на выв. 14 (ООВ). Если напряжение на этом выводе становится меньше 50 В, микросхема автоматически выключается. Когда напряжение Vaux на выв. 6 возрастает выше порогового значения, микросхема также выключается. Поскольку напряжение Vaux формируется обмоткой 8-9 и диодом VD10, такая мера ограничивает максимальный уровень выходных напряжений.
Для перехода ИП в ждущий режим замыкается ключ S2, открываются транзистор VT3 и тиристор VD12. Обмотка 17-18 оказывается подключенной параллельно обмотке 11-12. Отношение вольты/витки снижается. Вместе с транзистором VT3 открывается и транзистор VT4. Импульсы тока от него проходят через оптрон AD2 на выв. 14 микросхемы AD1. Активизируется ждущий режим микросхемы, выключается MOSFET-транзистор VT1. Так как отношение вольты/витки уменьшено, напряжение Vaux становится ниже эталонного. Начинает работать внутренний генератор, который заряжает конденсаторы С11 и С12 до эталонного напряжения. Процессор также начинает работать. Поскольку тиристор VD12 открыт, происходит зарядка конденсатора С22. Как только напряжение на нем достигнет уровня отпирания опорного диода VD23, открывается транзистор VT4 и импульс тока проходит через оптрон на выв. 14 процессора. Последний выключается, и на выв. 6 вновь появляется уровень эталонного напряжения. Такой циклический режим называется режимом вспышек, так как процессор периодически формирует пакеты колебаний.
Если разомкнуть ключ S2, тиристор VD12 закроется и вся энергия трансформатора вновь направится на выходы. Но так как уровень отпирания диода VD23 в этом случае не достигается (обмотка 17-18 отключена от обмотки 11-12), импульсы перестают поступать через оптрон на выв. 14 процессора. Последний возвращается в нормальный режим работы.
Цепь R27R28C27 связывает земляные поля входной части источника, гальванически соединенные с сетью, и землю выходных выпрямителей, соединенную с шасси телевизора.
Практически рассмотренный ИП (рис. 6) обеспечивает нормальную работу при напряжении сети 85...276 В при КПД = 86%.
При выключении блока ключом S1 потребление составляет 0,1 Вт. В ждущем режиме потребляется мощность около 2 Вт. На выходе 140 В пульсации частотой 100 Гц составляют 150 мВ. При изменении тока нагрузки на этом выходе от 100 до 800 мА выходное напряжение снижается примерно на 0,8 В.
В 2000 г. фирмой Philips разработана первая модель второго поколения экологических микросхем — TEA1507. Она выполнена в корпусе DIP-8, рассчитана на напряжение сети от 70 до 276 В и используется в источниках питания мощностью до 250 Вт и КПД более 90%; при этом число дискретных
компонентов в источниках несколько сокращено.
На рис. 6 приведена упрощенная принципиальная схема ИП на микросхеме TEA1507, рассчитанная на мощность 75 Вт.
Выходное напряжение V1 поступает на строчную развертку, V2 через ключ на транзисторе или управляемом стабилизаторе — на низковольтные узлы телевизора, а V3 — на схему управления. ИП имеет следующие особенности:
• в первичной цепи используется последовательный резонанс индуктивности обмотки 1-4 и емкости, пересчитанной к стоку ключевого транзистора VT1. Такой режим, называемый квазирезонансным, повышает КПД источника;
• переключение транзистора VT1 происходит при нулевом или близком к нулю токе, что снижает потери;
• процессор TEA1507 может обеспечивать два типа ждущих режимов. Первый сводится к снижению частоты при минимальной нагрузке (потребляемая мощность составляет менее 3 Вт), второй обеспечивает в режиме вспышек потребляемую мощ
ность менее 1 Вт. При этом требуются дополнительные внешние цепи с тиристором (как для микросхемы TEA1504 — см. рис. 5).
Выводы микросхемы TEA1507 имеют следующее назначение.
Выв. 1 (Vcc) служит для подключения внутреннего стартового генератора тока, который заряжает конденсатор С6. Старт начинается, когда напряжение Vcc достигает 11 В.
При снижении напряжения до 9 В выключается ключевой транзистор.
Выв. 2 (Gnd) — соединен с земляной шиной.
Выв. 3 (Red) — это вход петли обратной связи с оптроном. В рабочем диапазоне изменения напряжения V3 (1...1,425 В) происходит регулировка времени открывания ключевого транзистора. При увеличении напряжения до 1,45 В микросхема переходит в ждущий режим, при этом частота снижается до 6 кГц. При подаче на выв. 3 импульса амплитудой более 3,5 В процессор переходит в ждущий режим вспышек.
Выв. 4 (Demag) соединен с обмоткой обратной связи 5-6.
Выв. 5 (Sens). К нему подводится сигнал с измерительных резисторов R7R8, который сравнивается с сигналом от оптрона.
Выв. 6 (Driver). С него снимается сигнал, управляющий ключевым транзистором.
Выв. 7 (HVS) не используется.
Выв. 8 (Drain) соединен с отводом первичной обмотки трансформатора и тем самым с выходом выпрямителя.
При включении ИП напряжение на выходе выпрямителя, а значит и на выв. 8 микросхемы AD1, повышается. Когда оно достигает стартового значения, внутри микросхемы включается генератор тока, заряжающий конденсатор С6, подключенный к выв. 1. Когда напряжение на конденсаторе станет равным 7 В, внутри микросхемы включается генератор мягкого старта, подключенный к выв. 5 конденсатор С8, соединяющий этот вывод с истоком ключевого транзистора VT1, заряжается до напряжения 0,5 В. Напряжение на выв. 1 продолжает расти; когда оно достигает 11 В, на затвор транзистора поступят управляющие импульсы, и источник питания начнет работать. Внутренний генератор тока выключается, а необходимое напряжение на выв. 1 поддерживается за счет выпрямления импульсов на обмотке обратной связи 5-6 диодом VD8. Цикл работы ИП в
нормальном квазирезонансном режиме содержит четыре интервала.
Первый начинается при поступлении положительного импульса на затвор транзистора VT1. Транзистор открывается, напряжение на его стоке уменьшается до нуля, а ток через первичную обмотку трансформатора линейно увеличивается. Происходит намагничивание трансформатора. Второй интервал наступает с окончанием импульса на затворе. Транзистор закрывается, а ток через обмотку меняет полярность. Напряжение на стоке транзистора увеличивается до максимального значения. В третий интервал запасенная в трансформаторе энергия передается на выход. Ток через первичную обмотку линейно уменьшается. Открываются выпрямительные диоды во вторичных обмотках, и заряжаются конденсаторы фильтров, а через нагрузки протекают токи. Происходит размагничивание трансформатора. Когда ток уменьшится до нуля, начинается четвертый интервал, во время которого осуществляется накопление энергии в резонансном конденсаторе. Ток и напряжение при этом имеют синусоидальную форму. Когда напряжение снижается до значения, близкого к нулю, на затвор транзистора поступает новый импульс и цикл повторяется.
Переключения ключевого транзистора происходят при напряжении на стоке, близком к нулю. Это снижает потери на коммутацию. Если сопротивления нагрузок велики, после включения блока и мягкого старта начинается работа на высокой (более 100 кГц) частоте. При увеличении мощности, отдаваемой в нагрузки, возрастают интервалы намагничивания и размагничивания трансформатора, а значит частота колебаний снижается (минимальная частота составляет около 20 кГц). При этом сохраняется квазирезонансный режим, поскольку он проявляется только в четвертом интервале цикла. Если нагрузка отключается (обычный ждущий режим), частота снижается до 6 кГц, а потребляемая мощность — до значения менее 3 Вт. Для стабилизации выходных напряжений блока питания в квазирезонансном (рабочем) режиме используется цепь обратной связи с оптроном AD2. Сигнал ошибки получается путем сравнения напряжения от стабилизатора AD4 (которое может подстраиваться) с напряжением на конденсаторе С13. Сигнал с выхода оптрона AD2 поступает на выв. 3 процессора, где сравнивается с напряжением на измерительных резисторах R7, R8,пропорциональным току через ключевой транзистор.
На рис. 7 показана зависимость частоты колебаний от мощности, потребляемой ИП.
Включение ИП при малой мощности, отдаваемой в нагрузку, соответствует точке 1, когда частота велика (но не более 175 кГц).
При увеличении мощности нагрузки частота колебаний снижается. Предельное значение частоты составляет примерно 20 кГц (точка 2). При снятии нагрузки ИП переходит в ждущий режим. Частота снижается до 6 кГц, а потребляемая мощность — до 3 Вт (точка 3).
Микросхема TEA1507 обеспечивает защиту от замыкания витков обмоток трансформатора, от перегрузки по напряжению, току и температуре.
Ключ S1 служит для выключения ИП; при его замыкании снимается напряжение на выв. 1 микросхемы.
Для реализации ждущего режима вспышек в схему, показанную на рис. 6, необходимо ввести цепь с тиристором (как на рис. 5), что обеспечит параллельное соединение обмоток 7-8 и 11-12. Это позволит снизить потребляемую мощность в ждущем режиме до уровня менее 1 Вт.
В рассмотренных BG используются высоковольные быстродействующие диоды разных фирм с малым временем восстановления. Параметры некоторых из них приведены в таблице.
Трансформатор Т2 для ИП на микросхеме TEA1507 (см. рис. 6) выполняется на Ш-образном сердечнике 42/21/15 мм из марганцево-цинкового феррита с магнитной проницаемостью м = 2000. Секции 1-2 и 3-4 первичной обмотки наматываются виток к витку проводом, скрученным из восьми жил ПЭВ 0,2. Между слоями обмоток и между обмотками прокладывается высоковольтная изолирующая пленка. Остальные обмотки размещаются между двумя секциями первичной.
Обмотки 5-6 и 9-10 содержат по три витка провода ПЭВ 0,2 и ПЭВ 0,41 соответственно, обмотка 11-12 — два витка ПЭВ 0,2, а обмотка 7-8 — 21 виток провода 8 х ПЭВ 0,2. Зазор в сердечнике устанавливается таким, чтобы индуктивность последовательно включенных секций первичной обмотки составляла 1 мГ. Конденсатор С9, который образует с первичной обмоткой резонансный контур (с учетом других емкостей, пересчитанных к стоку транзистора), должен выдерживать постоянное напряжение 1500 В.
Литература
1. P. Preller. TDA1684X. Application Note. Infineon, June 2000.
2. Philips. 200W SMPS with
TEA1504. Application note AN98011.
3. J.Kleuskens. 75 SMPS with TEA1507 Quasi-Resonant Flyback controller. Philips. Application note
AN00047, 10.06.2000.
№7 «Ремонт & Сервис» июль 2002
|
