電源電路
2019-11-03 10:02:42
供稿：網(wǎng)友
劉修文
1、電源電路的組成
數(shù)字機(jī)頂盒的電源通常采用脈寬調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓電源，這種電源具有功耗小、轉(zhuǎn)換效率高、工作可靠、保護(hù)完善和穩(wěn)壓范圍寬等特點(diǎn)，該電路主要由輸入濾波電路、逆變器、脈寬調(diào)制電路、保護(hù)電路和輸出電路等部分組成。
（1）輸入濾波電路包括輸入濾波器、整流器和平滑濾波電路。輸入濾波器位于電源電路輸入端，由濾波電容、電感組成π型濾波電路，用于濾去交流輸入電壓中的高頻雜波成分，防止電網(wǎng)中的高頻干擾竄入電源，同時(shí)抑制開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的影響。整流器采用橋式整流二極管，用于將輸入的交流電壓整流成直流電壓，供逆變器進(jìn)行DC/DC變換。平滑濾波電路將整流出來(lái)的脈動(dòng)直流電壓變成平滑的直流電壓，并抑制高頻干擾。
（2）逆變器是一個(gè)由開關(guān)晶體管、變壓器及電阻、電容等組成的自激反饋式振蕩電路，其作用是將不穩(wěn)定的直流電壓變換成高頻脈沖電壓。在該電路中，當(dāng)直流電壓加到開關(guān)晶體管上時(shí)，開關(guān)晶體管在PWM控制器的控制下不斷地導(dǎo)通和截止，在變壓器初級(jí)繞組中產(chǎn)生出高頻脈沖，經(jīng)變壓器耦合送到輸出回路。
（3）脈寬調(diào)制電路是一個(gè)利用誤差電壓控制輸出脈沖寬度的反饋電路。該電路通過(guò)檢測(cè)輸出電壓的變化產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓，并將該誤差電壓反饋到逆變器去控制開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，以改變輸出脈沖的寬度，從而維持輸出電壓的穩(wěn)定。脈寬調(diào)制電路通常由光耦合器和PWM控制器組成。光耦合器將輸出電路中取出的誤差電壓反饋到PWM控制器，再由PWM控制器控制開關(guān)晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，反饋到PWM控制器的電流增大，PWM控制器使開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間縮短，也就是使輸出脈沖的寬度變窄，從而導(dǎo)致輸出電壓下降，維持了輸出電壓的穩(wěn)定。
（4）開關(guān)穩(wěn)壓電源的保護(hù)電路由過(guò)電流保護(hù)電路、過(guò)電壓保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路和浪涌吸收電路等組成。串聯(lián)在開關(guān)晶體管發(fā)射極上的電阻組成過(guò)電流保護(hù)電路，用于防止開關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)開關(guān)管出現(xiàn)過(guò)電流。并聯(lián)在變壓器初級(jí)繞組上的電阻、電容組成浪涌吸收電路，用于泄放積蓄在變壓器漏感上的能量，保護(hù)開關(guān)管不被擊穿。
（5）輸出電路主要由高頻整流器、平滑濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。在輸出電路中，高頻整流器將逆變器輸出的高頻脈沖電壓整流成直流電壓，再經(jīng)平滑濾波和穩(wěn)壓后，分別輸出數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)所需要的各路電壓。
數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)的電源一般輸出有3.3 V、5 V、20 V和30 V 4路電壓。3.3 V電壓用來(lái)向解復(fù)用器、解碼器、解調(diào)器等電路供電；5 V電壓主要用來(lái)向音頻D/A轉(zhuǎn)換器、音頻放大器、調(diào)諧器等電路供電；20 V電壓經(jīng)過(guò)二次穩(wěn)壓后，在主CPU的控制下輸出14 V/18 V電壓，用來(lái)向LNB(高頻頭)供電，垂直極化方式時(shí)供14 V電壓，水平極化方式時(shí)供18 V電壓；30 V電壓用來(lái)向調(diào)諧器中的AGC電路供電。對(duì)于某些需要驅(qū)動(dòng)極軸天線的機(jī)器，還要提供12 V電壓。
2、同洲3188A型衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)開關(guān)電源
同洲CDVB3188A型衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)是深圳同洲公司2000年8月推出的第三代數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)，它保留了CDVB2000B型的特點(diǎn)，主板采用富士通單片MPEG-2解碼芯片設(shè)計(jì)（芯片型號(hào)是MB87L2500）。
同洲3188A型衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)開關(guān)電源采用脈寬調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓電源，該電源與其他開關(guān)電源一樣，也包含了輸入濾波整流電路、DC/DC變換器、輸出穩(wěn)壓電路和保護(hù)電路等部分。
由濾波電容、濾波電感和整流二極管組成的輸入濾波整流電路將輸入的交流市電濾波、整流成直流電壓，再送給DC/DC變換器。DC/DC變換器包括高頻振蕩器和脈寬調(diào)制器。振蕩器用來(lái)產(chǎn)生高頻脈沖，該脈沖經(jīng)脈沖變壓器耦合到它的次級(jí)繞組。各次級(jí)繞組將該脈沖整流成直流電壓，再經(jīng)過(guò)濾波電容濾波，然后由三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出。
同洲3188A型數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)的電源共輸出有3.3 V、5 V、12 V、-12 V、22 V和30 V 6路電壓。其中3.3 V電壓用來(lái)向解復(fù)用器、解碼器、解調(diào)器等電路供電；5 V電壓用來(lái)向音頻D/A轉(zhuǎn)換器、調(diào)諧器等電路供電；+12 V、-12 V電壓用來(lái)向音頻放大器供電；22 V電壓經(jīng)過(guò)二次穩(wěn)壓后，在主CPU的控制下輸出14 V／18 V電壓，用來(lái)向LNB(高頻頭)供電，垂直極化方式時(shí)供14 V電壓，水平極化方式時(shí)供18 V電壓；30 V電壓用來(lái)向調(diào)諧器中的AGC電路供電。
同洲3188A型衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)的開關(guān)電源核心元件采用了美國(guó)POWER公司的第二代三端離線式脈寬調(diào)制單片開關(guān)電源集成電路（TOP224Y），該集成電路有3個(gè)引腳，①腳為控制端C，②腳為接地端S，③腳為電源端D，其內(nèi)部設(shè)有：電壓控制源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、門驅(qū)動(dòng)級(jí)、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路、關(guān)斷／自動(dòng)重啟動(dòng)電路、高壓電流源等，真可謂麻雀雖小，五臟俱全。TOP系列集成電路現(xiàn)已成為中小功率開關(guān)電源的優(yōu)?
3、TOP系列開關(guān)電源性能特點(diǎn)
TOP系列開關(guān)電源具有以下性能特點(diǎn)：
(1)將脈寬調(diào)制(PWM)控制系統(tǒng)的全部功能集成到同一個(gè)芯片中，內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)、自動(dòng)偏置電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，并具有軟啟動(dòng)、外部設(shè)定極限電流、過(guò)壓關(guān)斷、欠壓保護(hù)、過(guò)熱滯后關(guān)斷、遙控、同步等功能。
(2)只有3個(gè)引出端，能以簡(jiǎn)單方式構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的反激式開關(guān)電源。為了完成多種控制，其控制端和漏極均屬多功能引出端，實(shí)現(xiàn)了一腳多用。具有基本反饋與光電耦合反饋兩種工作模式，后者可構(gòu)成精密開關(guān)電源。
(3)輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作為固定電壓輸入時(shí)可選110 V／115 V／230 V交流電，允許變化±15％；在寬電壓范圍輸入時(shí)，適配85~265 V交流電,輸入頻率范圍是47~440 Hz。
(4)電源效率高。由于芯片本身功耗很低，電源效率可達(dá)80％左右，最高能達(dá)到90％，因此，被譽(yù)為“綠色”(節(jié)能型)電源。
(5)為降低傳導(dǎo)噪聲干擾，專門增加了頻率抖動(dòng)功能，開關(guān)頻率能以250 Hz的速率抖動(dòng)，抖動(dòng)偏移量△f=4 kHz。將開關(guān)頻率限制在很窄的波段內(nèi)抖動(dòng)，能降低130 kHz固定頻率的高次諧波干擾。(6)當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載減輕時(shí)，它采取跳過(guò)周期的方式來(lái)降低占空比，使輸出電壓保持穩(wěn)定，即使空載時(shí)也不用接假負(fù)載。
4、第二代TOP系列開關(guān)電源工作原理
(1)控制電壓源
控制電壓Vc能向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)級(jí)提供偏置電壓，而控制端電流Ic則能調(diào)節(jié)占空比。在C-S極之間外接一只47 μF旁路電容，即可為門驅(qū)動(dòng)級(jí)提供電流。控制端的總電容用CT表示，由它決定自動(dòng)重啟動(dòng)的定時(shí)，同時(shí)控制環(huán)路的補(bǔ)償。Vc有兩種工作模式，一種是滯后調(diào)節(jié)，用于啟動(dòng)和過(guò)載兩種情況，具有延遲控制作用；另一種是并聯(lián)調(diào)節(jié)，用于分離誤差信號(hào)與控制電路的高壓電流源。電路剛啟動(dòng)時(shí)由D-C極之間的高壓電流源提供控制端電源Ic，以便給控制電路供電并對(duì)CT充電。
（2）帶隙基準(zhǔn)電壓源
帶隙基準(zhǔn)電壓源除向內(nèi)部提供各種基準(zhǔn)電壓之外，還產(chǎn)生一個(gè)具有溫度補(bǔ)償并可調(diào)整的電流源，以保證精確設(shè)定振蕩器頻率和門級(jí)驅(qū)動(dòng)電流。
（3）振蕩器
內(nèi)部振蕩電容是在設(shè)定的上、下閾值VH、VL之間周期性地線性充、放電，以產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需要的鋸齒波(SAW），與此同時(shí)還產(chǎn)生最大占空比信號(hào)（Dmax）和時(shí)鐘信號(hào)(CLOCK)。為減小電磁干擾，提高電源效率，振蕩頻率（即開關(guān)頻率）設(shè)計(jì)為100 kHz。需要指出，對(duì)于TOP系列開關(guān)電源(Ⅱ)脈沖波形的占空比設(shè)定濰D，其最小值Dmin＝0.7％，對(duì)應(yīng)于空載；最大值Dmax＝70％，對(duì)應(yīng)于滿載。
（4）誤差放大器
誤差放大器的增益由控制端的動(dòng)態(tài)阻抗Zc來(lái)設(shè)定。Zc變化范圍是10~20 Ω，典型值為15 Ω。誤差放大器的同相輸入端接5.7 V基準(zhǔn)電壓，作為參考電壓。反相輸入端接反饋電壓VF。輸出端接的P溝道MOSFRT管等效于一只可調(diào)電阻，其阻值用R′DS表示。控制電壓Vc經(jīng)Zc、R′DS、RE分壓后獲得VFOIC可直接取自反饋電路，亦可接外部誤差放大器的光電耦合反饋電路。誤差放大器將反饋電壓VF與5.7 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后，輸出誤差電流I(xiàn)r，在RE上形成誤差電壓Vr。
（5）脈寬調(diào)制器（PWM）
脈寬調(diào)制器是一個(gè)電壓反饋式控制電路，它具有兩層含義，第一，改變控制端電流I(xiàn)c的大小，即可調(diào)節(jié)占空比D，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制；第二，誤差電壓Vr，經(jīng)由RA、CA組成的截止頻率為7 kHz的低通濾波器，濾掉開關(guān)噪聲電壓之后，加至PWM比較器的同相輸入端，再與鋸齒波電壓VJ進(jìn)行比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)VB。VB通過(guò)與門Y1、或門H之后，可將觸發(fā)器I置零，使Q=0，把N溝道MOSFET管關(guān)斷；而時(shí)鐘信號(hào)則把觸發(fā)器I置位，使Q=１，又使MOSFET導(dǎo)通，二者交替動(dòng)作，就實(shí)現(xiàn)了脈寬調(diào)制信號(hào)的功率輸出。
（6）門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)
門驅(qū)動(dòng)級(jí)(F)用于驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管（MOSFET），使之按一定速率導(dǎo)通，從而將共模電磁干擾減至最小，漏-源導(dǎo)通電阻與產(chǎn)品的型號(hào)和芯片結(jié)溫有關(guān)，MOSFET管的漏-源擊穿電壓V(BO)DS≥700 V。
（7）過(guò)流保護(hù)電路過(guò)流比較器的反相輸入端接閾值電壓VLIMIT，同相輸入端接MOSFET管的漏極。這里巧妙地利用MOSFET管的導(dǎo)通電阻RDS(ON)來(lái)代替外部過(guò)流檢測(cè)電阻Rs。當(dāng)IO過(guò)大時(shí)，V(BO)DS＞VLIMIT，過(guò)流比較器就翻轉(zhuǎn)，輸出變成高電平，經(jīng)過(guò)與門Y2和或門H，將觸發(fā)器I置零，進(jìn)而使MOSFET管關(guān)斷，起到過(guò)流保護(hù)作用。
此外，芯片還具有初始輸入電流限制功能，剛通電時(shí)可將整流后的直流限制在0.6 A（對(duì)應(yīng)于交流265 V輸入電壓）或0.75 A（對(duì)應(yīng)于交流85 V）。
（8）過(guò)熱保護(hù)電路
當(dāng)芯片結(jié)溫Tj＞135℃時(shí)，過(guò)熱保護(hù)電路就輸出高電平，將觸發(fā)器Ⅱ置位，Q＝1，Q＝0，關(guān)斷輸出級(jí)。此時(shí)Vc進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式，Vc端波形也變成幅度為4.7～5.7 V的鋸齒波。若要重新啟動(dòng)電路，需斷電后再接通電源開關(guān)，或者將控制端電壓Vc降至3.3 V以下，達(dá)到VC(RESET)值，再利用上電復(fù)位電路將觸發(fā)器Ⅱ置零，使MOSFET恢復(fù)正常工作。
(9)關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路
一旦調(diào)節(jié)失控，關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路立即使芯片在5%占空比下工作，同時(shí)切斷從外部流入C端的電流，Vc再次進(jìn)入滯后調(diào)節(jié)模式。倘若故障已排除，Vc又回到并聯(lián)調(diào)節(jié)模式，自動(dòng)重新啟動(dòng)電源恢復(fù)正常工作，自動(dòng)重啟動(dòng)的頻率為1.2 Hz。
(10)高壓電流源
在啟動(dòng)或滯后調(diào)節(jié)模式下，高壓電流源經(jīng)過(guò)電子開關(guān)SI給內(nèi)部電路提供偏置，并且對(duì)CT進(jìn)行充電。電源正常工作時(shí)SI改接內(nèi)部電源，將高壓電流源關(guān)斷。
5、采用新型脈寬調(diào)整四端厚膜集成電路IM0380R的電源電路
中大WS-9618衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)的電源部分采用新型脈寬調(diào)整四端厚膜集成電路IM0380R，IM0380R內(nèi)含振蕩、脈寬取樣驅(qū)動(dòng)、過(guò)壓過(guò)熱保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)龋δ芡晟疲阅軆?yōu)異。①腳為接地端，②腳為內(nèi)部開關(guān)管集電極端，③腳為內(nèi)部開關(guān)管基極端，④腳為穩(wěn)壓控制輸入端。R8為起動(dòng)電阻，C8為慢起動(dòng)充電電容，R5、C6與D7組成反峰吸收回路兼振蕩元件。開關(guān)變壓器①~③繞組為開關(guān)管集電極負(fù)載(初級(jí)繞組)，⑤~⑥繞組為反饋繞組，經(jīng)正反饋二極管D8接到四端厚膜集成電路的③腳。穩(wěn)壓環(huán)路由次級(jí)回路的U4KA431提供基準(zhǔn)電壓，R13與VR1為取樣電阻，通過(guò)“光耦”反饋給IM0380R的④腳。
6、電源電路故障分析與檢修
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，開關(guān)電源部分的故障約占衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)故障中的50％以上，這主要原因是：①有線電視前端系統(tǒng)中的衛(wèi)星接收機(jī)是連續(xù)24小時(shí)工作不停機(jī)，有的小前端還使用家用型衛(wèi)星接收機(jī)，連續(xù)使用時(shí)散熱不好，元器件老化加快；②國(guó)內(nèi)電網(wǎng)供電電壓波動(dòng)大，特別是下半夜至凌晨一段時(shí)間，電網(wǎng)電壓有時(shí)達(dá)到250 V以上；③室內(nèi)工作環(huán)境較差，機(jī)房通風(fēng)散熱不良，有的將衛(wèi)星接收機(jī)放在封閉的機(jī)柜內(nèi)，夏天工作環(huán)境溫度高；④衛(wèi)星接收機(jī)元器件質(zhì)量差；⑤前端機(jī)房穩(wěn)壓電源質(zhì)量不好，對(duì)電脈沖吸收不良，容易造成開關(guān)電源型衛(wèi)星接收機(jī)的電源損壞；⑥個(gè)別接收機(jī)電路設(shè)計(jì)存在缺陷；⑦雷擊造成電源部分損壞。
檢修電源部分的故障，可先檢查電源部分是否有+5 V電壓輸出。可用萬(wàn)用表測(cè)量電源的各輸出端，若有電壓輸出，說(shuō)明電源部分無(wú)故障，應(yīng)檢查電源部分與解碼板之間的連線是否接觸不良，有無(wú)斷線現(xiàn)象；若無(wú)電壓輸出，則說(shuō)明故障發(fā)生在電源部分。由于電源部分的幾路電壓均由同一個(gè)逆變器產(chǎn)生，若幾路電壓均無(wú)輸出，可判斷故障發(fā)生在脈寬調(diào)制器以前，因?yàn)樵谝话闱闆r下，幾路電壓的輸出電路同時(shí)發(fā)生故障的可能性很小。可繼續(xù)檢查保險(xiǎn)管、輸入濾波電路、橋式整流器、開關(guān)管及脈寬調(diào)制器。發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)燒斷后，應(yīng)先檢查電路中有無(wú)短路，若有應(yīng)先排除短路后再更換保險(xiǎn)。
若連續(xù)燒斷保險(xiǎn)，則說(shuō)明電路中有損壞性的器件，如濾波電容漏電、整流管擊穿、開關(guān)管擊穿等。若保險(xiǎn)絲未燒斷，則檢查整流器有無(wú)直流電壓輸出，如無(wú)直流電壓輸出，則檢查整流器輸入端有無(wú)交流電壓輸入，如有交流電壓說(shuō)明整流器損壞。若整流器輸出的直流電壓正常，可判斷故障發(fā)生在逆變器電路中。逆變器主要由開關(guān)管、脈沖變壓器和脈寬調(diào)制器組成，檢查時(shí)可接上示波器，在脈沖變壓器的次級(jí)回路中測(cè)量有無(wú)高頻脈沖輸出，若無(wú)高頻脈沖輸出說(shuō)明振蕩電路未起振。振蕩電路中的關(guān)鍵器件是開關(guān)管，若開關(guān)管損壞，振蕩電路就不能起振。若電源單元的輸出端只是5 V電壓無(wú)輸出，其余各路電壓均正常，則說(shuō)明故障就在5 V輸出電路中，如5 V整流管損壞或穩(wěn)壓器損壞。
數(shù)字機(jī)頂盒3.3 V電源穩(wěn)壓集成塊的應(yīng)急代換。一部分衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)的解復(fù)用器、解碼器、解調(diào)器電路用3.3 V電壓供電，這組3.3 V電源是經(jīng)開關(guān)電源二次整流、濾波、穩(wěn)壓后形成，而穩(wěn)壓器多采用集成電路且因機(jī)型不同而各異。如帝霸201H衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)的集成塊為PJ1117，同洲3188A衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)則用PQ15RW。穩(wěn)壓集成塊損壞后，在當(dāng)?shù)睾茈y購(gòu)到，無(wú)法及時(shí)修復(fù)，影響接收機(jī)正常使用。其實(shí)，選擇常用的可調(diào)三端穩(wěn)壓器LM317T即可應(yīng)急修理，下面以帝霸201H接收機(jī)為例，說(shuō)明其應(yīng)急修理方法。
帝霸201H接收機(jī)采用PJ1117作為3.3 V電源的穩(wěn)壓器，損壞后，可將PJ1117和與其相連的兩只電阻從電路板上拆除，因LM317T與PJ1117引腳排列順序相同，可直接把LM317T焊在電路板上，并固定在原散熱片上，但要加裝絕緣墊片。為防止LM317T輸入端電壓突然降低或輸出端電壓突然升高擊穿LM317T，在其輸入、輸出端反向并接一只保護(hù)二極管D，D與R1、R2焊在電路板背面LM317T的相關(guān)引腳上。調(diào)整時(shí)，可先用4.7 k電位器代替R1，調(diào)節(jié)電位器使輸出電壓為3.3 V，然后拆下電位器測(cè)量其阻值，換成同等阻值的固定電阻，連接開關(guān)電源與主板間的插座，接收機(jī)即可恢復(fù)正常。
摘自《中國(guó)有線電視》
