PDP控制電源的設計分析

2021-01-08 電子產品世界

　　引言

　　隨著人們對大屏幕彩電的需求不斷增加，等離子顯示器(PDP)由於其體積小、視角寬、主動發光、亮度高、環境適應性好等獨特的優點，在競爭中佔有相當的優勢，隨著價格的降低，它必將進入家庭，有著巨大的市場需求。等離子顯示器主要由顯示屏、屏蔽玻璃、電源、數字電路、驅動電路、外殼等部件組成，其中電源擔負著屏內所有電路和顯示屏的供電，其技術含量高，功能複雜，為滿足等離子顯示器的安全要求，需要進行精心設計和嚴格測試。

　　電源輸出特性

　　為了適應全球輸入電壓範圍，交流輸入電壓為85～276V，經過EMI濾波、整流後採用有源PFC作電壓預調整，共有8路輸出電壓:地址驅動電源Va，屏驅動電源Vs，邏輯控制電源Vcc，輔助電源(3路)，風扇電源，待機電源Vsb，其主要輸出特性如下:

　　屏驅動電源(Vs)輸出：165～185Vdc(可控)，自動設置，Vs=165+10×Vrs，Vrs為參考電壓，在0～2V之間，由PDP提供，平均電流Is為1.5A，瞬時最大電流Isp為12.0A；

　　地址驅動電源(Va)輸出：55～65Vdc(可控)，自動設置，Va=55+5×Vra，Vra為參考電壓，在0～2V之間，由PDP提供，平均電流Ia為1.8A，瞬時最大電流Iap為3.0A；

　　邏輯電路電源(Vcc)輸出：5Vdc(可控)，瞬時最大電流Icp為5.0A;輔助電源輸出:+5V，3.5A;+12V，1A;-5V，0.5A;12V風扇電源(Vfan):電流為0.5～1.0A;5V待機電源(Vsb):電流為0.5～1.0A。

　　地址驅動電源Va和屏驅動電源Vs分別受PDP控制，而且有時序要求，所以採用兩個獨立DC/DC變換器;對於待機電源Vsb，在PDP不工作即其他所有輸出均關斷時仍然工作，所以Vsb採用一個獨立的DC/DC變換器;Vcc與Vs和Va是共地的，為避免地線上的幹擾，輔助電源組採用單獨一組DC/DC變換器，輸出內部共地，同時為了避免差頻幹擾，對大功率的Va和Vs變換器採用頻率同步的工作方式(同步於PFC電路)。各變換器的邏輯關係及工作時序如下:

　　a.交流上電後，待機電源Vsb開始工作；

　　b.遙控開機後，先吸合繼電器，PFC輸出直流電壓，輔助電源、PDP邏輯控制電源Vcc工作；

　　c.屏控電路初始化後，發出可啟動高壓驅動開啟電平Vrr到PDP電源，Va和Vs啟動工作；

　　d.遙控關機時，屏控電路先關閉Vs和Va，後關Vcc和輔助電源；

　　e.遙控關機後，待機電源仍然工作，以便下一次的啟動。

　　其開關機時序如圖1(a)、(b)所示。

(a) 開機時序

(b)　關機時序

圖1　開關機時序圖

　　圖1中的t1為PDP電源內部高低壓之間的啟動延時，大約為110ms，Vrr是高壓封鎖信號，在Vrr為高電平之後即有高壓輸出，圖中的t3表示Vs(165V)的軟啟動時間，大約為300～800ms，而Va(65V)無軟啟動。t4和t5僅代表關機時的先後順序，其本身數值的大小和負載的情況密切相關，在滿載情況下t4大約為450ms，t5大約為260ms。Vs和Va變換器是一起開機、一起關機，當前兩路中有1路保護(過流、過壓、過熱)時，則將該兩路變換器全部關斷，但不關Vcc變換器。當Vcc變換器發生故障時，將Vs和Va變換器與Vcc變換器同時關斷，整個電源的結構框圖如圖2所示。

圖2　結構框圖

　　電路設計

　　為了滿足PDP電源的上述特性要求，每種電源都需要不同的電路結構，下面詳細論述各個電路的設計。

　　EMI電路、有源功率因數校正電路和待機電源

　　為了滿足全球化需要，PDP電源必須滿足各個組織的EMI測試要求，根據阻抗匹配採用了如圖3所示拓撲結構的EMI濾波器，經過參數優化和PCB優化，其傳導輻射通過了CLASS B標準，有源功率因數校正電路採用了UC3854作為主控晶片，功率因數達到99%，待機電源採用PI公司的專用待機電源晶片構成單端反激變換器。

圖3　交流輸入濾波電路拓撲

　　輔助電源

　　輔助電源採用UC3844組成單端反激變換器，電壓分別為一組5V/3.5A、-5V/0.5A，一路12V/0.5A，一路12V/1.0A，5V主控。

　　地址驅動電源Va和屏驅動電源Vs

　　此兩路電源功率都比較大而且受控，因此採用兩路相同結構的獨立雙管雙正激變換器。我們以地址驅動電源Va為例進行設計，該路功率為120W，輸出55～65Vdc(可控)，自動設置，Va=55+5×Vra，Vra為參考電壓，在0～2V之間，由PDP提供。當Vra為2V時，對應Va的輸出為65V。其控制電路採用SG3525晶片，把Vra電壓經過分壓和濾波處理後加到SG3525的1腳上對輸出電壓控制。主拓撲採用雙管雙正激變換器，特點是器件應力小，不存在剩磁問題，電路簡單，避免直通問題，圖4為雙管雙正激變換器的原理電路。

圖4　雙管雙正激變換器的原理電路 　　在圖4中，PFCout為功率因數校正的輸出，為400V。每路正激變換器由兩隻MOSFET構成，這種雙管正激可降低開關管耐壓要求。與單正激變換器相比，雙正激變換器在使輸出功率增大的同時還帶來如下好處:①輸出濾波電感工作頻率為兩倍開關頻率，這使得其大小相對減小;②變壓器原副邊變比為單正激的兩倍，可選用低耐壓的輸出整流二極體。實際使用的開關頻率為80kHz，開關管驅動採用脈衝變壓器耦合隔離方式，這樣可減小主電路對控制電路的幹擾。每隻MOSFET附近的RCD電路為吸收緩衝電路，可以有效吸收開關過衝，其參數值由開關頻率和實際電路決定。當Po(單路)=65W時，其磁性元件設計如下：

　　設整流管最大壓降Vsr≤0.7V，電感繞組的最大電阻壓降VL≤0.1V，其他線路最大壓降Vr≤0.1V，原邊MOFET及線路壓降Vsw≤0.3V，變壓器效率η≥98%。其他參數為：

　　Vs：變壓器副邊電壓
　　Vp：變壓器原邊電壓
　　輸入電壓：Vin=390～400V
　　輸出電流：Io=1A
　　輸出電壓範圍：Vo=50～70V
　　輸出功率：Pomax=70W
　　最大佔空比：Dmax=0.45
　　開關頻率：f=80kHz
　　導線的電流密度：J=4A/mm2
　　鐵芯磁通密度變化量：ΔB=0.2T
　　(1)計算匝數比

　　(2)計算總視在功率

　　(3)計算鐵芯窗口面積乘積

　　Kw：變壓器窗口係數，窗口係數先粗略取0.4，本設計中原副邊繞組均採用銅線； Kf對於雙管正激電路可由以下公式算出：

　　(4)選擇磁芯

　　根據Ap查磁芯手冊，確定磁芯結構為EE42/21/15，磁芯材料為西門子N67材料，有效截面:Ae=234mm2，窗口面積:AW=250mm2，Ae×AW=5.85cm2>Ap。

　　(5)計算原邊、副邊繞組匝數

　　原邊開關管為MTP4N80，額定電流4A，耐壓800V。輸出整流二極體D1～D4採用4隻快恢復二極體DSEI1206A，其中2隻並聯使用作為續流二極體。DSEI1206A的反向軟恢復特徵使得輸出尖峰電壓減小外，反向恢復電流折算到原邊也小，使得原邊MOS2FET開通損耗減小。在輸出電壓65V，輸出電流1A時，變壓器溫升小於30℃，效率為93%。

　　測試結果

　　PDP電源設計完成後需要進行高低溫衝擊試驗、負載特性、功率因數、EMC等測試，其滿載功率因數測試為>98%，以下為其他各個測試項。

　　基本性能指標

　　PDP電源基本性能指標表如表1所示。

　　環境測試

　　A.低溫測試:-5℃時，電源能啟動且可以正常工作，測試負載調整率、電壓調整率、穩壓精度、輸出過流保護點、輸出過壓保護點、設置精度、峰峰雜音等項目。

　　B.高溫測試:50℃時


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