LED拼接大屏幕電源電路原理及故障檢修

    慧聰LED屏網報導 　  

　　某大屏幕顯示器由80個LED顯示單元拼接而成，20個開關電源模塊為它們供電，每個電源模塊為4個LED顯示單元提供5V電源。拼接屏故障現象為：開始是其中6個LED顯示單元的亮度變暗，關斷交流220V供電，重新加電後，變為20塊LED顯示單元變為完全不亮，另有32個LED顯示單元亮度變暗。經檢查確認，故障由電源模塊故障引起，其中，為完全不亮的20個LED顯示單元供電的5個電源模塊無輸出電壓，為亮度變暗的32個LED顯示單元供電的8個電源模塊的輸出電壓不同程度地變低(電壓在3～3.9V之間)。電源模塊採用的是誠聯電源生產的CL-A-200-5型5V/40A直流電源。

　　一、電源工作原理

　　圖1為根據電路板實物繪製的原理圖，元件標號與實物一致。電源電路由交流幹擾抑制(EMI)及主整流濾波電路、DC/DC變換電路、穩壓控制電路以及過流/短路保護電路4部分組成。

　　1.EMI及主整流濾波電路

　　EMI電路由C1-C4、L1構成。其作用：1)抑制輸入市電的電磁幹擾，以免影響電源工作;2)防止電源工作時產生的高頻電磁信號通過交流線路傳導或輻射到市電網絡，影響其他電氣設備的正常工作。R13用於洩放C1存儲的電荷。

　　整流濾波電路由整流全橋BD1和主濾波電容C5、C6構成。其作用是將交流220V供電變換為DC/DC變換電路所需的300V直流電壓V0。C5、C6兩端並接的電R2、R1不僅可均衡2隻電容的電壓，而且在斷電後可快速洩放掉電容儲存的電能。負溫度係數電阻RT1用於防止加電瞬間產生的衝擊大電流。

　　2. DC/DC變換電路

　　該電路由脈寬調製控制晶片IC1(KA7500B)及其外圍元件構成的脈衝振蕩信號產生電路5部分構成。其中，由激勵變壓器T2、三極體Q3/Q4及相關元件構成了驅動電路;由濾波電容C5、C6、高頻變壓器T1、開關管Q1/Q2及相關元件構成的功率變換電路;由D18、D19、L2、C22～C25構成了輸出整流濾波電路;由T1的副邊6-4-7繞組及D9、D10、C9組成了IC1的供電電路。

　　(1)KA7500B的簡介

　　KA7500B(TL494)是一種性能較強的開關電源脈寬調製控制晶片，集成了多種功能電路。包括：由外接元件決定振蕩頻率的鋸齒波振蕩器(1～300kHz)，脈寬調製邏輯電路，由2個集電極開路的三極體構成的輸出脈衝信號驅動電路，控制2個驅動三極體同時截止的死區時間控制(DTC)電路(死區時間為振蕩周期的4～100%)，2個用於調製輸出脈衝寬度(即輸出三極體導通時間)的電壓誤差放大器，以及給外圍電路提供5V參考電壓VREF的穩壓電路等。

　　晶片採用16腳直插或貼片封裝，工作電壓為8～42V。

　　(2)振蕩信號產生電路

　　IC1(KA7500B)內含一個鋸齒波振蕩電路。當VCC的12腳電壓達到8V時，振蕩器開始工作，振蕩頻率由5腳外接電容C14和6腳外接電阻R20決定。根據實際參數計算，電路的振蕩頻率=1.1/(R20×C14)=50kHz。晶片8腳C1端和11腳C2端分別以振蕩頻率的一半(即25kHz)交替輸出脈寬調製信號。

　　(3)驅動電路

　　IC1供電VCC經電阻R12(1.5k)加到驅動變壓器T2初級繞組的中間抽頭2，Q4、Q3的c極分別連接到T2初級繞組的1、3抽頭，IC1的8、11腳分別連接Q4和Q3的b極，T2的2個次級6-7、8-9繞組分別驅動開關管Q2和Q1工作，使它們工作在開關狀態。當IC1的8、11腳同時為高電平時，Q3、Q4導通，T2初級1-2、2-3繞組中流過大小相等方向相反的電流，T2的2個次級繞組均無感應電壓輸出;當8腳有低脈衝信號而11腳仍為高電平時，Q4截止、Q3導通，T2的1-2繞組無電流流過，2-3繞組中有電流流過，6-7、8-9繞組產生左負、右正的感應電壓;當8腳變為高電平而11腳有低脈衝信號時，Q4導通、Q3截止，T2的1-2繞組有電流流過，2-3繞組無電流流過，6-7、8-9繞組均產生左正右負的感應電壓。Q3、Q4的e極所接D15、D16和C13用於將e極電位抬高到1.3V以上，使得Q3、Q4能可靠截止。

　　(3)高頻電壓變換及輸出整流濾波電路

　　IC1的8、11腳輸出的脈衝信號經推動電路放大後，在T2的2個次級繞組產生感應脈衝電壓。當T2的6-7、8-9繞組產生左正、右負的感應電壓時，Q1的b極獲得正向脈衝而導通，Q2的b極獲得反向脈衝電壓而截止，電流從C6的正極經Q1的ce結、T2的5-4繞組、開關變壓器T1的初級9-8繞組、C7流向C6的負極，給T1充磁，此時T1的次級1-3、3-2繞組感應出上正下負的低電壓輸出脈衝。當T2的6-7、8-9繞組產生左負右正的感應電壓時，開關管Q2的b極獲得正向脈衝電壓而導通，Q1的基極獲得反向脈衝電壓而截止，電流從C5的正極經C7、開關變壓器T1的初級8-9繞組、T2的4-5繞組、Q2的ce結流向C5的負極，給T1反向充磁，此時T1的次級1-3、3-2繞組感應出下正、上負的脈衝電壓，它們經D18、D19全波整流，利用L2、C22～C25構成的濾波網絡濾波後，輸出5V直流電壓。

　　C10、C11用於加速Q1和Q2的導通和截止，以降低功率開關管的熱損耗;R6、R7和R10、R11為Q1和Q2的b極限流電阻;D7、R5和D4、R9的作用是抬高Q1、Q2的導通電壓，使Q1和Q2能可靠截止;D5、D6是續流二極體，在Q1、Q2由導通變為截止時，分別為T1的初級8-9繞組提供接續電流;C8、R3構成尖峰脈衝消除網絡，用於吸收T1初級繞組產生的尖峰脈衝，以免開關管截止瞬間過壓損壞。R34(51Ω)為電源空載時的輸出負載電阻。

　　(4)晶片IC1的供電電路

　　該電路由T1的副邊6-4-7繞組及D9、D10、C9構成。正常工作時，隨著T1初級繞組中正反向電流的流動，在T1的6-4-7繞組交替產生的感應電壓經D9、D10全波整流、C9濾波後，為IC1提供工作電壓VCC。

　　(5)自激啟動過程

　　接入交流電後，整流全橋BD1開始給C5、C6充電，C6正、負極間的電壓經R4A、R4B、R7、R5、T2的5-4繞組、C7、T1的初級繞組9-8構成充電迴路，在R5兩端建立啟動電壓。當R5兩端電壓達到0.7V時，Q1導通，電流由C6的正極通過Q1、T2的5-4繞組自下向上  流過T1的9-8繞組，再經C7到達C6的負極，給T1充磁;同時，T2的6-7、8-9繞組產生左正右負的感應電壓，加速Q1導通，抑制Q2導通，直至流過T1的初級繞組的電流不再增長;此後，T2的6-7、8-9繞組產生左負右正的感應電壓，使Q1迅速截止，並且加速Q2導通，電流由C5的正極通過C7、自上向下流過T1的初級8-9繞組，再經T2的4-5繞組、Q2到達C5的負極，給T1反向充磁。重複該過程，在T1的副邊6-4-7繞組產生感應電壓，經D9、D10整流，C9濾波，產生IC1的工作電壓VCC。

　　當VCC高於8V時，IC1開始工作，內部振蕩器產生的振蕩脈衝，控制PWM脈衝發生器產生驅動信號，經放大後從8、11腳交替輸出。

　　(6)軟啟動過程

　　當VCC達到8V時，晶片IC1的14腳先產生5V參考電壓VREF，該參考電壓經C17(1μF)、R21(12k)分壓後加到IC1的4腳(DTC)，並給C17充電，IC1內部的死區時間控制電路將8、11腳置位為高電平。隨著C17的充電及其兩端電壓的升高，IC1的4腳電位從5V逐漸降低，當4腳的電位降低到3.3V時(大約5ms延時)，IC1的死區時間減小到振蕩周期的96%，8、11腳開始交替輸出最窄的負脈衝信號(佔空比為4%)，電源開始輸出電壓。隨著4腳電位的進一步下降，8、11腳輸出的負脈衝寬度逐漸增大，電源的輸出電壓也逐步升高，直到電容C17被充滿電，4腳的電位變為R25(120k)和R21(12k)對VREF的分壓值(約0.45V)時，IC1的輸出脈衝不受死去時間控制電路控制，IC1的8、11腳的輸出負脈衝寬度開始由兩個誤差比較器控制，完成軟啟動過程。

　　3. 穩壓控制電路

　　穩壓控制電路由IC1內誤差放大器1、R22～R24、電位器RW1、R29～R31、C16、C19等元件組成。VREF經R23、R24分壓，給IC1誤差放大器1的反相端2腳提供2.5V電壓，輸出5V電壓經R31、R29與R30、RW1分壓後加到誤差放大器1的同相端1腳。

　　當輸出電壓因某種原因下降時，經取樣後使IC11腳輸入的電壓降低，誤差放大器1輸出變低，經IC1內部的脈寬調製電路作用，使8、11腳輸出的脈衝寬度增大，開關管Q1、Q2的導通時間延長，開關變壓器T1存儲的能量增加，使輸出電壓升高到正常值，實現穩壓控制。反之，穩壓控制過程相反。

　　C16和R22為誤差放大器1的補償電路。調整電位器RW1可以微調輸出電壓。

　　4. 過流及短路保護電路

　　輸出過流保護電路由IC1內誤差放大器2、R35、R36、R231、康銅電阻J3-J6、R38、C12及C32構成。誤差放大器2的同相端16腳經R231和C32接地，VREF經R35和R36、J3～J6分壓，為誤差放大器2的反相端15腳提供約54mV的電壓。正常情況下，誤差放大器2的輸出為低電平，IC1的8、11腳輸出脈衝信號寬度由誤差放大器1控制。當負載電流增大時，康銅電阻J3-J6兩端電壓升高，誤差放大器2的反相端15腳電壓隨之下降;負載電流大於42A時，誤差放大器2的反相端15腳電壓低於0，誤差放大器2的輸出變為高電平，高於誤差放大器1的輸出電壓，IC1的8、11腳輸出脈衝信號由誤差放大器2控制，脈衝寬度隨誤差放大器2輸出電壓的升高而變窄，電源的輸出電壓降低。當誤差放大器2的輸出電壓超過3.5V時，IC1的8、11腳無驅動脈衝刪除，電源無輸出電壓。從而實現電源的過流保護功能。C12和R38為誤差放大器2的補償電路。

　　輸出短路保護電路由Q5、R21、R26～R28、D17和C18構成。一旦負載出現短路，輸出端電壓低於2.1V時Q5截止，參考電壓VREF經R26對C18充電，使IC1的4腳電壓升高。當該電壓達到3.3V時，死區時間控制邏輯電路使IC1停止輸出負脈衝，8、11腳被置位為高電平，電源無電壓輸出。

　　二、故障檢修

　　故障現象：帶負載時電源輸出電壓為0或只有3V左右。

　　分析與檢修：空載加電，測得輸出電壓為3.9V，並且電源盒發出輕微的「吱吱」聲。斷電後打開外殼，仔細察看主要元器件時，發現5V輸出濾波電容C22～C25(3300μF/10V)鼓包，拆下並逐個測量，容量分別為19μF、22μF、29μF、31μF。用4隻正品同規格同規格電容更換後加電，輸出電壓變為6.63V，但仍能聽到輕微的「吱吱」聲，說明開關電源仍有故障。斷電後，在路測量整流全橋BD1正常，測量C5、C6(470μF/200V)的容量正常。加電後，測量300V供電V0為299V，測IC1(KA7500B)的12腳的VCC電壓只有2.03V，並且14腳的VREF電壓僅為1.27V，說明IC1未工作，懷疑其供電電路異常。斷電後，在路測IC1供電的整流二極體D9、D10正常，檢測C9(47μF/50V)的容量不足0.4μF，說明它已失效。用同型號電解電容更換後再次加電，測得電源輸出為5.07V，「吱吱」聲消失，故障排除。

　　為了便於今後維修，筆者測量了空載和接1.8Ω假負載時，使用勝利VC9805A+型萬用表測得IC1(KA7500B)各腳的電壓值，如附表所示。

　　腳號空載電壓(V)1.8Ω負載時電壓(V)腳號空載電壓(V)1.8Ω負載時電壓(V)

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