42-inch AC－PDP開關(guān)電源的分析與設(shè)計(jì)
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信息高速公路和高清晰度電視的發(fā)展，對顯示技術(shù)和顯示器件都提出了更高的要求。PDP（Plasma Display Panel）以其大屏幕，超薄結(jié)構(gòu)，高質(zhì)量畫面成為現(xiàn)在顯示器件的重要研究方向之一。而電源作為AC-PDP的重要組成部分，要求效率高、體積小、能夠提供較大的瞬態(tài)輸出功率，并且具有保護(hù)功能和不同輸出電壓按順序啟動的功能。
2．AC-PDP電源設(shè)計(jì)
2.1概述
常用的直流穩(wěn)壓電源按照工作原理的不同，分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。兩者相比較，線性穩(wěn)壓電源效率低，體積和重量大，而且瞬態(tài)響應(yīng)慢，不能滿足AC-PDP在顯示動態(tài)圖像時(shí)輸出功率大幅度迅速變化的要求。而開關(guān)電源效率高，相同輸出功率條件下體積小，重量輕，穩(wěn)壓范圍寬，負(fù)載大幅度變化時(shí)，電源調(diào)整率好，輸出靈活，可方便地多組輸出，而且響應(yīng)速度快[1]。因此AC-PDP中更適合采用開關(guān)電源。
傳統(tǒng)的從220V交流電網(wǎng)通過非控整流獲取直流電壓，在電力電子技術(shù)及電子儀器儀表中獲得了廣泛的應(yīng)用。但這種非控整流使得輸入電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，并呈脈沖狀。這樣，一方面對電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，干擾其它電子設(shè)備的正常工作；另一方面大大降低了輸入電路的功率因數(shù)，如在中、大型非控整流設(shè)備中，輸入電路的功率因數(shù)大致在0.5～0.7左右，有的甚至更低。因此，必須采取有效的技術(shù)措施來減少輸入電流波形的畸變，提高輸入電路的功率因數(shù)[2]。在設(shè)計(jì)中我們采用MOTOROLA的功率因數(shù)控制芯片MC34262來進(jìn)行有源功率因數(shù)校正。根據(jù)42-inch AC-PDP電路系統(tǒng)的要求，必須考慮電源整體結(jié)構(gòu)及尺寸大小，以及不同輸出之間的相互隔離和電源不同輸出電壓的啟動順序。
圖1所示即為所設(shè)計(jì)的AC-PDP電源電路的結(jié)構(gòu)示意圖。在電源開關(guān)閉合后，交流市電經(jīng)過整流濾波、功率因數(shù)校正（PFC），首先啟動DC/DC模塊1，給接口電路、存儲控制電路提供電源，為整個(gè)電路系統(tǒng)的工作做好準(zhǔn)備，同時(shí)給其它DC/DC模塊提供開啟電壓或PWM芯片電源電壓。
DC/DC變換將380V轉(zhuǎn)換為下列直流電壓輸出，分別給PDP接口電路、存儲控制電路和驅(qū)動電路供電：
12V ：接口電路供電電壓，最大輸出電流2.5A，脈動幅值0.1V
5V(1)：存儲控制電路供電電壓，驅(qū)動電路中集成MOS管驅(qū)動器供電電壓，A尋址電極驅(qū)動芯片邏輯塊供電電壓,最大輸出電流4A，脈動幅值0.05A
200V：Y掃描電極供電電壓，調(diào)壓范圍160V～240V，最大輸出電流1.5A，脈動幅值0.5V
200V：X驅(qū)動電極供電電壓，指標(biāo)同上
17V ：集成MOS管驅(qū)動器輸出端作供電電壓，最大輸出電流2.5A，脈動幅值0.1V
5V（2）：Y掃描電極驅(qū)動芯片邏輯塊供電電壓，最大輸出電流0.3A，脈動幅值0.03A
90V ：Y掃描驅(qū)動芯片驅(qū)動塊供電電壓，調(diào)壓范圍60V～120V，最大輸出電流0.08A，脈動幅值0.1V
-100V：Y掃描電極懸浮電壓, 調(diào)壓范圍-60V～-120V，最大輸出電流0.08A，脈動幅值0.3V
65V ：A尋址驅(qū)動電極驅(qū)動芯片驅(qū)動塊供電電壓，調(diào)壓范圍50V～90V，最大輸出電流1.8A，脈動幅值0.3V
2.2 不同直流電壓啟動輸出的時(shí)序設(shè)計(jì)
如圖2所示即為X電極驅(qū)動示意圖。顯然當(dāng)200V加在T1的漏端時(shí)候，T1、T2管不可同時(shí)導(dǎo)通，那么由存儲控制電路送來的信號in_1、in_2不能同時(shí)為高電平，而且集成MOS管驅(qū)動器M12處于工作狀態(tài)，即+5V、+17V電源已經(jīng)加在芯片上[3]。由此可見，必須滿足以下條件才能啟動電源的高壓輸出：
(1). 接口電路、存儲控制電路已經(jīng)開始工作，并將正確信號送入驅(qū)動電路；
(2). 驅(qū)動電路中芯片的低壓電源建立。
Y電極驅(qū)動與X電極驅(qū)動示意圖所示類似。不同的是X電極不需要驅(qū)動芯片，而Y電極驅(qū)動高壓部分采用浮地，還要求Y驅(qū)動芯片的低壓電源5V(2)先建立，高壓電源90V才建立。
因此AC-PDP電源結(jié)構(gòu)如前述圖1所示，當(dāng)220V交流市電輸入后，PFC電路輸出380V和15V，其中15V給DC/DC模塊1和模塊2的PWM控制芯片供電。
模塊1中將380V變換成多路直流輸出，直流電壓5V（輔）輸出給模塊2作為啟動控制電壓。因此模塊1輸出建立后，模塊2才開始工作。
模塊1的直流電壓17V輸出給模塊3后，產(chǎn)生直流電壓5V（2）輸出給模塊3的65V/90V變換部分作為啟動控制電壓。因此當(dāng)DC/DC模塊2輸出建立以及模塊3的5V(2)輸出建立后，65V/ 90V變換電路才開始工作，輸出90V。
在設(shè)計(jì)中，利用5V電壓來控制UC3845的3腳輸入電壓，使之下降到1.0V以下來實(shí)現(xiàn)DC/DC變換的啟動。當(dāng)5V沒有建立時(shí)，待啟動的DC/DC變換的PWM控制器沒有輸出，從而使得變換器不能工作。[4]這部分內(nèi)容在下文2.4節(jié)詳述。
2.3 有源功率因數(shù)（PFC）校正電路的設(shè)計(jì)
圖2所示即為我們采用MC34262芯片設(shè)計(jì)的功率因數(shù)校正電路的原理簡圖。
交流市電經(jīng)過全波整流后的直流電壓經(jīng)R62、R71分壓后，通過管腳3輸入控制芯片內(nèi)乘法器的一個(gè)輸入端，而由管腳2監(jiān)測的誤差放大器輸出電壓加到乘法器另一個(gè)輸入端。在較大動態(tài)范圍內(nèi)，乘法器的傳輸曲線為線性。乘法器輸出電壓控制電流取樣比較器的門限電壓，當(dāng)管腳4的電壓大于此門限電壓時(shí)，VT9關(guān)閉，電感通過VD27釋放能量。此門限電壓近似與管腳3輸入電壓成正比，即與交流市電經(jīng)過全波整流后的直流電壓近似成正比關(guān)系。當(dāng)電感中電流降為零時(shí)，VT9導(dǎo)通，此時(shí)電感L9開始儲能。在VT9導(dǎo)通時(shí)電感電流等于VT9導(dǎo)通電流，VT9關(guān)斷時(shí)電感電流等于VD27導(dǎo)通電流。電感電流如圖4所示，其平均電流呈現(xiàn)與與市電電壓同相位的正弦波。使得功率因數(shù)接近1。
根據(jù)輸出電壓電流要求，最大總輸出功率為837W，留取余量，確定目標(biāo)輸出功率為900W，變換器效率η＝90％，在輸入交流市電220Vac±20％條件下，計(jì)算電路元件參數(shù)。
峰值電感電流：
電感（取工作時(shí)開關(guān)周期為40us）
MC34262的管腳1（FB）是片內(nèi)誤差放大器的一個(gè)輸入端，另一個(gè)輸入端Vref約2.5V。
那么
因此選取R66＝1.6MΩ，R65＝10KΩ，R73為0～15KΩ的可調(diào)電阻。
當(dāng)輸入電網(wǎng)電壓的范圍為220Vac±20％時(shí)，令MC34262管腳4的電流取樣電壓VCS=1V且必須小于1.4V，此時(shí)：
取R74=0.062Ω/4W。
取電網(wǎng)最高輸入時(shí)候MC34262管腳3（片內(nèi)乘法器輸入）電壓VM為3V。由
取R3=12KΩ，則R5=15MΩ。
此外，在電路中加入補(bǔ)償電容C58，RC濾波器R72、C65使得電路更可靠地工作。
2.4 DC/DC變換電路的設(shè)計(jì)
在DC/DC變換中，我們采用UC3845作為PWM控制芯片。圖1所示電源系統(tǒng)中，DC/DC模塊3中的90V和-100V輸出采用反激變換，DC/DC模塊1的15V和5V輸出分別采用三端穩(wěn)壓器件和穩(wěn)壓二極管來實(shí)現(xiàn)，DC/DC模塊3的5V輸出采用集成開關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)，其它變換則采用雙管正激變換來實(shí)現(xiàn)。
UC3845是電流控制集成芯片，其工作原理如圖5所示。它是在電壓控制型電路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié)，當(dāng)管腳3輸入的采樣電壓Vs大于Ve(Ve不超過1.0V)時(shí)，鎖存器置零，VT截止。因此誤差信號Ve實(shí)際上控制的是電感峰值電流。
圖6所示為產(chǎn)生200V直流輸出的電路圖。虛線框內(nèi)為DC/DC變換的控制部分。下面主要討論過流保護(hù)電路和5V輸入電壓啟動電路。
380V和15V電壓輸入后，如果5V啟動電壓未加，VT7射極電壓5V，選取合適的R49、R56使得VT7射極到集電極的電流經(jīng)過R56后，輸入到MC3845的管腳3電壓大于1.0V，這樣VT3截止。DC/DC變換不工作。當(dāng)5V電壓加上后，通過光耦DA52使得VT7的集電極電流增加，MC3845管腳3電壓輸入電壓低于1.0V，從而完成電路的啟動。選取合適的R24、R29、R1、R60等元件，使得當(dāng)輸出電流超過所設(shè)定的最大電流Imax時(shí)，二極管VD16正端的電壓（相對于GNDH，電壓值為-Imax·R29）下降,VT5射極電壓下降，從而流過R60的電流增大，DA8的一次側(cè)電壓下降，VT7的集電極電流減小，使得MC3845管腳3的輸入電壓超過1V，從而實(shí)現(xiàn)輸出過流保護(hù)。
以上以200V直流輸出的DC/DC變換為例討論了過流保護(hù)電路和5V輸入電壓啟動電路。其它DC/DC變換的這部分電路與此相同，電源電路其它部分設(shè)計(jì)可以參閱參考文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]以及UC3845器件說明書。
3 結(jié)果
在滿負(fù)載條件下測試，測得電源效率為81.5％，功率因數(shù)為0.993，直流輸出電壓：
200V：調(diào)節(jié)范圍152V～254V，最大輸出電流可達(dá)1.5A，脈動幅值0.3V
12V ：最大輸出電流2.5A時(shí)，脈動幅值0.1V
5V(1)：存儲控制電路供電電壓，最大輸出電流4時(shí)脈動幅值0.02A
17V ：最大輸出電流2.5A時(shí)脈動幅值0.05V
5V(2)：最大輸出電流0.3A，脈動幅值0.01A
90V ：調(diào)壓范圍55V～122V，最大輸出電流0.08A時(shí)，脈動幅值0.1V
-100V：調(diào)壓范圍-58V～-127V，最大輸出電流0.08A時(shí)，脈動幅值0.1V
65V ：A尋址驅(qū)動電極驅(qū)動芯片驅(qū)動塊供電電壓，調(diào)壓范圍51V～97V，最大輸出電流1.8A時(shí)，脈動幅值0.1V。
啟動時(shí)序設(shè)計(jì)正常，滿足設(shè)計(jì)要求。
整機(jī)聯(lián)調(diào)，圖像效果令人滿意，在PDP顯示屏顯示動態(tài)運(yùn)動圖像時(shí)能夠提供足夠的電流和穩(wěn)定的電壓，保證了圖像的穩(wěn)定顯示。
參考文獻(xiàn)
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西安: 西安交通大學(xué)工程與科學(xué)研究院，2000.10 ：59～63.
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