PDP控制電源的設(shè)計(jì)分析

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)由于其體積小、視角寬、主動發(fā)光、亮度高、環(huán)境適應(yīng)性好等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在競爭中占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，隨著價(jià)格的降低，它必將進(jìn)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(shù)字電路、驅(qū)動電路、外殼等部件組成，其中電源擔(dān)負(fù)著屏內(nèi)所有電路和顯示屏的供電，其技術(shù)含量高，功能復(fù)雜，為滿足等離子顯示器的安全要求，需要進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和嚴(yán)格測試。

電源輸出特性

為了適應(yīng)全球輸入電壓范圍，交流輸入電壓為85～276V，經(jīng)過EMI濾波、整流后采用有源PFC作電壓預(yù)調(diào)整，共有8路輸出電壓:地址驅(qū)動電源Va，屏驅(qū)動電源Vs，邏輯控制電源Vcc，輔助電源(3路)，風(fēng)扇電源，待機(jī)電源Vsb，其主要輸出特性如下:

屏驅(qū)動電源(Vs)輸出：165～185Vdc(可控)，自動設(shè)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(shí)最大電流Isp為12.0A；

地址驅(qū)動電源(Va)輸出：55～65Vdc(可控)，自動設(shè)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(shí)最大電流Iap為3.0A；

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

地址驅(qū)動電源Va和屏驅(qū)動電源Vs分別受PDP控制，而且有時(shí)序要求，所以采用兩個(gè)獨(dú)立DC/DC變換器;對于待機(jī)電源Vsb，在PDP不工作即其他所有輸出均關(guān)斷時(shí)仍然工作，所以Vsb采用一個(gè)獨(dú)立的DC/DC變換器;Vcc與Vs和Va是共地的，為避免地線上的干擾，輔助電源組采用單獨(dú)一組DC/DC變換器，輸出內(nèi)部共地，同時(shí)為了避免差頻干擾，對大功率的Va和Vs變換器采用頻率同步的工作方式(同步于PFC電路)。各變換器的邏輯關(guān)系及工作時(shí)序如下:

a.交流上電后，待機(jī)電源Vsb開始工作；

b.遙控開機(jī)后，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.屏控電路初始化后，發(fā)出可啟動高壓驅(qū)動開啟電平Vrr到PDP電源，Va和Vs啟動工作；

d.遙控關(guān)機(jī)時(shí)，屏控電路先關(guān)閉Vs和Va，后關(guān)Vcc和輔助電源；

e.遙控關(guān)機(jī)后，待機(jī)電源仍然工作，以便下一次的啟動。

其開關(guān)機(jī)時(shí)序如圖1(a)、(b)所示。

(a) 開機(jī)時(shí)序

(b)　關(guān)機(jī)時(shí)序

圖1　開關(guān)機(jī)時(shí)序圖

圖1中的t1為PDP電源內(nèi)部高低壓之間的啟動延時(shí)，大約為110ms，Vrr是高壓封鎖信號，在Vrr為高電平之后即有高壓輸出，圖中的t3表示Vs(165V)的軟啟動時(shí)間，大約為300～800ms，而Va(65V)無軟啟動。t4和t5僅代表關(guān)機(jī)時(shí)的先后順序，其本身數(shù)值的大小和負(fù)載的情況密切相關(guān)，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(jī)、一起關(guān)機(jī)，當(dāng)前兩路中有1路保護(hù)(過流、過壓、過熱)時(shí)，則將該兩路變換器全部關(guān)斷，但不關(guān)Vcc變換器。當(dāng)Vcc變換器發(fā)生故障時(shí)，將Vs和Va變換器與Vcc變換器同時(shí)關(guān)斷，整個(gè)電源的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　結(jié)構(gòu)框圖

電路設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)，下面詳細(xì)論述各個(gè)電路的設(shè)計(jì)。

EMI電路、有源功率因數(shù)校正電路和待機(jī)電源

為了滿足全球化需要，PDP電源必須滿足各個(gè)組織的EMI測試要求，根據(jù)阻抗匹配采用了如圖3所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的EMI濾波器，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化和PCB優(yōu)化，其傳導(dǎo)輻射通過了CLASS B標(biāo)準(zhǔn)，有源功率因數(shù)校正電路采用了UC3854作為主控芯片，功率因數(shù)達(dá)到99%，待機(jī)電源采用PI公司的專用待機(jī)電源芯片構(gòu)成單端反激變換器。

圖3　交流輸入濾波電路拓?fù)?

輔助電源

輔助電源采用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(qū)動電源Va和屏驅(qū)動電源Vs

此兩路電源功率都比較大而且受控，因此采用兩路相同結(jié)構(gòu)的獨(dú)立雙管雙正激變換器。我們以地址驅(qū)動電源Va為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，該路功率為120W，輸出55～65Vdc(可控)，自動設(shè)置，Va=55+5×Vra，Vra為參考電壓，在0～2V之間，由PDP提供。當(dāng)Vra為2V時(shí)，對應(yīng)Va的輸出為65V。其控制電路采用SG3525芯片，把Vra電壓經(jīng)過分壓和濾波處理后加到SG3525的1腳上對輸出電壓控制。主拓?fù)洳捎秒p管雙正激變換器，特點(diǎn)是器件應(yīng)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(shù)校正的輸出，為400V。每路正激變換器由兩只MOSFET構(gòu)成，這種雙管正激可降低開關(guān)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(shí)還帶來如下好處:①輸出濾波電感工作頻率為兩倍開關(guān)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管。實(shí)際使用的開關(guān)頻率為80kHz，開關(guān)管驅(qū)動采用脈沖變壓器耦合隔離方式，這樣可減小主電路對控制電路的干擾。每只MOSFET附近的RCD電路為吸收緩沖電路，可以有效吸收開關(guān)過沖，其參數(shù)值由開關(guān)頻率和實(shí)際電路決定。當(dāng)Po(單路)=65W時(shí)，其磁性元件設(shè)計(jì)如下：

設(shè)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(shù)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
輸出電壓范圍：Vo=50～70V
輸出功率：Pomax=70W
最大占空比：Dmax=0.45
開關(guān)頻率：f=80kHz
導(dǎo)線的電流密度：J=4A/mm2
鐵芯磁通密度變化量：ΔB=0.2T
(1)計(jì)算匝數(shù)比

(2)計(jì)算總視在功率

(3)計(jì)算鐵芯窗口面積乘積

Kw：變壓器窗口系數(shù)，窗口系數(shù)先粗略取0.4，本設(shè)計(jì)中原副邊繞組均采用銅線； Kf對于雙管正激電路可由以下公式算出：

(4)選擇磁芯

根據(jù)Ap查磁芯手冊，確定磁芯結(jié)構(gòu)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(jì)算原邊、副邊繞組匝數(shù)

原邊開關(guān)管為MTP4N80，額定電流4A，耐壓800V。輸出整流二極管D1～D4采用4只快恢復(fù)二極管DSEI1206A，其中2只并聯(lián)使用作為續(xù)流二極管。DSEI1206A的反向軟恢復(fù)特征使得輸出尖峰電壓減小外，反向恢復(fù)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(shí)，變壓器溫升小于30℃，效率為93%。

測試結(jié)果

PDP電源設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行高低溫沖擊試驗(yàn)、負(fù)載特性、功率因數(shù)、EMC等測試，其滿載功率因數(shù)測試為>98%，以下為其他各個(gè)測試項(xiàng)。

基本性能指標(biāo)

PDP電源基本性能指標(biāo)表如表1所示。

環(huán)境測試

A.低溫測試:-5℃時(shí)，電源能啟動且可以正常工作，測試負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率、穩(wěn)壓精度、輸出過流保護(hù)點(diǎn)、輸出過壓保護(hù)點(diǎn)、設(shè)置精度、峰峰雜音等項(xiàng)目。

B.高溫測試:50℃時(shí)，電源能啟動且可以正常工作，測試負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率、穩(wěn)壓精度、輸出過流保護(hù)點(diǎn)、輸出過壓保護(hù)點(diǎn)、設(shè)置精度、峰峰雜音等項(xiàng)目。

EMC測試

A.電壓暫降、跌落與短期電壓變化測試用三相ACSOURCE模擬電網(wǎng)，電壓暫降、跌落與短期電壓變化時(shí)電源能正常工作。

B.電網(wǎng)特殊波形測試：

1)用三相ACSOURCR模擬電網(wǎng)諧波輸入，樣機(jī)能正常工作；

2)用單相ACSOURCR模擬電網(wǎng)尖峰、毛刺輸入，樣機(jī)能正常工作;尖峰電壓大于400V時(shí)，關(guān)機(jī)保護(hù)。

C.噪聲抗擾性測試

在電源輸入端口耦合3kV共模噪聲電壓，樣機(jī)能正常工作。

D.符合ANSIIEEEC62.41-1991、B3等級，1.2/50μs和8/20μs混合波，6kV/3kA。

元器件溫升測試

在滿載情況下所有元件溫升低于40℃。

結(jié)論

PDP等離子顯示屏是近幾年在國際上出現(xiàn)的新產(chǎn)品，其電源設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，要求輸出路數(shù)多、體積小、電壓調(diào)節(jié)范圍寬、電壓高、紋波小、噪聲低、EMI低，開關(guān)機(jī)有嚴(yán)格的時(shí)序限制。這里設(shè)計(jì)的PDP電源已經(jīng)成功應(yīng)用在某知名品牌的42英寸等離子顯示上，經(jīng)過上萬臺等離子顯示屏兩年的使用驗(yàn)證，返修率小于0.05%，證明其設(shè)計(jì)的可靠性非常高。