利用STR?F6656設(shè)計(jì)34″彩色電視機(jī)開關(guān)電源

摘要：介紹Sanken公司的混合型開關(guān)電源ICSTR?F6600系列的原理和應(yīng)用，作為實(shí)例，介紹了使用STR?F6656設(shè)計(jì)一個(gè)34″彩電用的開關(guān)電源，并給出滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1引言

　　混合型電源ICSTR?F6600系列是日本Sanken電氣公司的近年產(chǎn)品。它內(nèi)含MOSFET及控制IC部分，是專門為反激型變換器設(shè)計(jì)的，特適用于彩色電視機(jī)開關(guān)電源。

　　該混合IC可工作于準(zhǔn)諧振方式以及脈沖占空比控制（PRC——PulseRatioControl)方式。它具有常規(guī)第二代SMPSIC的特點(diǎn)，即采用次級(jí)輸出采樣及光耦反饋穩(wěn)壓、準(zhǔn)諧振、高效率、寬輸入范圍、良好的輸入電壓調(diào)整率和負(fù)載輸出特性，還有過(guò)流、過(guò)壓及熱保護(hù)等。相對(duì)于同類型的其它廠家IC，它多了一個(gè)熱保護(hù)以及開關(guān)電噪聲較小，可簡(jiǎn)化或甚至取消浪涌吸收電路。

　　本文介紹該系列IC的工作原理，在此基礎(chǔ)上描述怎樣利用它設(shè)計(jì)制造一個(gè)34″彩色電視機(jī)開關(guān)電源。文中給出樣機(jī)電源電路，變壓器設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，該電源完全符合電視機(jī)電氣要求，它外圍元件少，設(shè)計(jì)容易，穩(wěn)定度高。在高溫、低溫、EMI、短路和開路等環(huán)境和安全實(shí)驗(yàn)中均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)不可多得的簡(jiǎn)單和高效能的電視機(jī)實(shí)用開關(guān)電源。

2混合型開關(guān)電源控制器STR?F6600系列原理和特性簡(jiǎn)介

　　圖1給出了STR?F6600系列的原理方框圖。這是一個(gè)有一個(gè)引出腳的塑料封裝IC，其每腳功能簡(jiǎn)述見表1。

表1STR?F6600系列每腳功能

　　2?1起動(dòng)電路

　　當(dāng)AC電源在t0加入時(shí)，由圖2可知，在半個(gè)周期內(nèi)，A點(diǎn)對(duì)地峰值電壓VA≈Vd（整流電壓），VA經(jīng)過(guò)R902向C909充電，使IC腳④上電壓Vin近似線性上升（見圖3）。當(dāng)Vin上升到閾值電壓Vin(ON)=16V

圖1STR?F6600系列方框圖

圖2起動(dòng)電路

圖3起動(dòng)時(shí)Vin端口電壓的波形

時(shí)，IC內(nèi)的控制電路開始起動(dòng)，Vin端口上的輸入電流Iin由100μA突升到30mA，電容C909來(lái)不及供電而使Vin下降。如果此時(shí)由驅(qū)動(dòng)繞組D1所提供的DC電壓足夠的話，Vin將不致于掉到仃振閾值11V以下，則IC繼續(xù)工作起動(dòng)成功。驅(qū)動(dòng)繞組D1的圈數(shù)須保證經(jīng)整流后在C909上電壓超過(guò)11V，同時(shí)又要低于20.5V。因?yàn)閂in大于20.5V則過(guò)壓保護(hù)電路起作用，Vin小于10V時(shí)則欠壓保護(hù)電路起作用。一般Vin取18V是較合適的。

　　關(guān)于R902及C909的選值要適當(dāng)。R902、C909太大均會(huì)使IC起動(dòng)時(shí)間t1?t0延長(zhǎng)。但C909亦不能過(guò)小，否則在驅(qū)動(dòng)繞組電壓到來(lái)之前它已不能維持IC動(dòng)作，這樣就不能順利起動(dòng)。一般對(duì)寬電源(90～270)VAC電壓C909取(47～100)μF，R902取47kΩ～68kΩ是合適的，對(duì)窄電源（200VAC），R902可取82k～150k。在本例子中，當(dāng)R902=82kΩ，C909=47μF，輸入電壓為90V時(shí)，其開機(jī)起動(dòng)時(shí)間為1.3μs左右。

2?2內(nèi)部振蕩器，穩(wěn)壓原理和過(guò)流保護(hù)

　?。?）內(nèi)部振蕩器

　　IC內(nèi)部振蕩器是通過(guò)對(duì)C1的充放電而形成振蕩脈沖的，放電時(shí)間常數(shù)C1R1(≈50μs)決定了MOSFET的關(guān)斷時(shí)間。在PRC運(yùn)用模式中，穩(wěn)壓是由固定toff而變化ton來(lái)達(dá)到的。圖4示出了當(dāng)沒(méi)有穩(wěn)壓控制信號(hào)輸入時(shí)，內(nèi)部振蕩器的工作波形。由圖5波形可見，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，電容C1被充電到6.5V。同時(shí)漏極電流ID逐步上升，在R5上形成一鋸齒形狀電壓VR5。VR5通過(guò)R4后幾乎無(wú)損失地加到IC的①腳OCP/FB端口。當(dāng)①腳電壓V1達(dá)到閾值Vth1≈0.73V時(shí)，比較器1開始動(dòng)作，它使振蕩器輸出反相，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)級(jí)將MOSFET關(guān)斷。此后C1通過(guò)電阻R1放電，C1兩端電壓按恒定的放電時(shí)間常數(shù)C1R1線性下降。當(dāng)它降到3.7V左右時(shí)，振蕩器輸出再次反相，使MOSFET重新導(dǎo)通，C1電壓再次跳升到6.5V。如此不斷重復(fù)上述過(guò)程。

　　由上述可知，MOSFET的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間ton是由VR5的上升斜率決定的，而toff在PRC模式中則由C1R1決定。

　?。?）穩(wěn)壓原理

　　如圖5所示，為了控制輸出，光耦合器的誤差信

圖4無(wú)穩(wěn)壓控制信號(hào)輸入時(shí)之振蕩波形

圖5有穩(wěn)壓控制信號(hào)作用下的振蕩波形

圖6導(dǎo)通期間的V1波形

圖7截止期間的準(zhǔn)諧振信號(hào)

號(hào)輸出電流在R4上形成電壓降VR4串接在VR5上，從而使輸入到①腳的電壓V1波形部分受到VR4的控制，使比較器1提前或拖后反相，以改變MOSFET的ton從而改變次級(jí)輸出電壓，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。這屬于電流控制方式。一般說(shuō)來(lái)，在電流控制方式中，輕載時(shí)VR4會(huì)升高，有可能使MOSFET導(dǎo)通時(shí)的浪涌電流所引起的噪聲對(duì)比較器1帶來(lái)誤觸發(fā)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在MOSFET關(guān)斷期間插入一個(gè)有源低通濾波器，它是由C5和一個(gè)1.35mA恒流源組成，旁接于①腳和地之間。在MOSFET導(dǎo)通之前，該濾波器分流了從光耦輸出的約一半電流量，因而使VR4直流偏置量有效降低，防止了導(dǎo)通浪涌電流的疊加而引起的誤觸發(fā)，此外C5的存在也加大了對(duì)噪聲的吸收旁路作用。

　　應(yīng)該指出的是，現(xiàn)在ton的控制是通過(guò)改變VR4的直流電壓達(dá)到（見圖6），這與過(guò)去傳統(tǒng)方法不同，過(guò)去的STR?S6700和STR?M6800系列是靠改變充電電壓的斜率而達(dá)到改變ton的。

　?。?）過(guò)流保護(hù)

　　這是一個(gè)脈沖連著脈沖的過(guò)流檢測(cè)電路。由圖5中的波形可見，比較器1起著過(guò)流保護(hù)作用。只要正比于Id的電壓V1峰值超過(guò)限值0.73V時(shí)，就會(huì)強(qiáng)迫振蕩器輸出反相，使MOSFET關(guān)斷，ton變小，達(dá)到了限制輸出電流和輸出功率的目的。

2?3準(zhǔn)諧振運(yùn)用

　　上面討論了純光耦反饋電路的PRC工作情況，實(shí)際的應(yīng)用電路應(yīng)包括從變壓器驅(qū)動(dòng)繞組D1來(lái)的反饋支路（它包括D903，R908，C913，D904等元器件），由于這個(gè)支路的存在，使得V1在MOSFET關(guān)斷期間含有與VDS成比例的電壓成份，它叫準(zhǔn)諧振信號(hào)（見圖7）。根據(jù)準(zhǔn)諧振信號(hào)的電平大小可決定該電源是工作在PRC方式還是準(zhǔn)諧振方式。

　　在MOSFET關(guān)斷期間如果準(zhǔn)諧振信號(hào)V1處在0.73V與1.45V之間，則比較器1起作用使電源進(jìn)入PRC方式；如果準(zhǔn)諧振信號(hào)V1超過(guò)1.45V（V1最大值為6.0V），則比較器2起作用使toff降為1.5μs(min)左右，但現(xiàn)時(shí)功率管的關(guān)斷時(shí)間不取決于此值，而是比它大得多。事實(shí)上只要V1保持大于0.73V，則MOSFET仍然維持關(guān)斷，什么時(shí)候開始轉(zhuǎn)導(dǎo)通，則由準(zhǔn)諧振方式?jīng)Q定。準(zhǔn)諧振方式就是使MOSFET在VDS的諧振周期的半周處導(dǎo)通，這樣可保證較低的開關(guān)電應(yīng)力和減少開關(guān)損耗，為達(dá)此目的，需要滿足以下二條件：

　　（1）在漏極和地之間要有一個(gè)合適的電容C908存在，由它與初級(jí)電感構(gòu)成LC諧振回路，以便形成漏?源極之間電壓VDS的諧振波形；

　　（2）柵極驅(qū)動(dòng)中要有合適的延遲以保證當(dāng)準(zhǔn)諧振信號(hào)V1下降到0.73V以下，MOSFET開始導(dǎo)通時(shí)恰好對(duì)應(yīng)于VDS波形的最低處。在具體調(diào)整時(shí)，可用一功率表監(jiān)測(cè)電源輸入端，在固定輸出負(fù)載下，調(diào)整R908、C913大小，以獲得最小輸入功率，此時(shí)可判斷延遲時(shí)間為最合適。還要指出的是延遲作用也有C910和電路分布電容的參與，所以即使不接入C913，電路仍會(huì)有某些延遲。

2?4驅(qū)動(dòng)電路，鎖定觸發(fā)器，熱保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)

　?。?）驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。

　　這是恒壓驅(qū)動(dòng)電路，它利用穩(wěn)壓二極管ZD1(8.6V)來(lái)保護(hù)恒定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正脈沖時(shí)，Q1導(dǎo)通，通過(guò)電阻RG1＋RG2對(duì)MOSFET激勵(lì)使之成為軟開關(guān)。當(dāng)輸入信號(hào)為零電平時(shí)，Q1截止，Q2導(dǎo)通，MOSFET柵極電荷將經(jīng)過(guò)一個(gè)較小的電阻RG1而迅速放電。穩(wěn)壓二極管ZD1的作用是保護(hù)MOSFET在截止時(shí)不致于被上沖的VDS(500V～600V）通過(guò)D?G極間電容耦合到柵極而將管子損壞。

　　（2）鎖定觸發(fā)器Latch

　　當(dāng)電路發(fā)生過(guò)壓或過(guò)熱時(shí)，芯片內(nèi)有關(guān)電路會(huì)將鎖定觸發(fā)器置ON，使④腳上電壓Vin在10V～16V之間來(lái)回?cái)[動(dòng)。IC間歇性地工作，阻止了電流和電壓不正常的升高，直到Vin低于6.5V時(shí)，電路完全不起振。此時(shí)若要電源再起動(dòng)，需要關(guān)機(jī)后再開機(jī)才行。

　?。?）熱保護(hù)電路

　　當(dāng)混合型IC的外殼溫度超過(guò)140℃時(shí)，控制IC中的熱保護(hù)電路就會(huì)起動(dòng)鎖定觸發(fā)器置ON，由于MOSFET與控制IC裝在同一塊基板上。所以熱保護(hù)同樣包括MOSFET。

　?。?）過(guò)壓保護(hù)電路

　　當(dāng)Vin超過(guò)22.0V時(shí)，過(guò)壓保護(hù)電路能起動(dòng)觸發(fā)鎖定器。使Vin在10V～16V之間來(lái)回?cái)[動(dòng)最后會(huì)降到6.5V以下，電源完全停止工作，此時(shí)要關(guān)機(jī)后再開機(jī)才能重新起動(dòng)。

　　過(guò)壓保護(hù)電路同時(shí)可以防止次級(jí)輸出電壓VO1過(guò)高。例如當(dāng)控制電路開路或其它原因引起VO1大大升高時(shí)，通過(guò)變壓器耦合，驅(qū)動(dòng)繞組的感應(yīng)電壓相應(yīng)也會(huì)升高，從而使Vin升高。當(dāng)Vin超過(guò)22V時(shí)過(guò)壓保護(hù)同樣起作用。限制了VO1的再升高，此時(shí)的VO1為VO1(OVP)=

例如設(shè)VO1(正常值)=130V，Vin(正常值)=18V，利用上式即可算出VO1(OVP)=162.5V，這表示當(dāng)故障發(fā)生時(shí)由于過(guò)壓保護(hù)起作用，VO1最高不會(huì)超過(guò)此值。

3調(diào)整和測(cè)試結(jié)果

　　利用上述電源安裝了三臺(tái)34英寸彩色電視樣機(jī)，最初開機(jī)時(shí)電源不工作，后用示波器觀察Vin波形，發(fā)現(xiàn)電壓過(guò)低，于是將驅(qū)動(dòng)繞組ND1由4Ts改為5Ts，Vin又過(guò)大，電源起振一次又熄滅（因過(guò)壓保護(hù)起作用），后加入一個(gè)串聯(lián)電阻10Ω/1W于整流二極管D904支路上，問(wèn)題得以解決，Vin在穩(wěn)定時(shí)達(dá)到17V，可順利開機(jī)。

　　在調(diào)試中，為了得到最佳的準(zhǔn)諧振的工作狀態(tài)，可在電視機(jī)的電源線端接入一只交流功率表，輸入264V交流，并將畫面調(diào)至黑場(chǎng)，關(guān)掉伴音（此時(shí)開關(guān)電源的振蕩頻率最高），在這情況下調(diào)整延遲電路元件R908，C910參數(shù)，直至功率表的讀數(shù)Pi為最小，此時(shí)表示電源的開關(guān)損耗最小，電路工作在最佳的準(zhǔn)諧振方式中。

　　實(shí)驗(yàn)表明，該電源開關(guān)噪音干擾較小，無(wú)須加入特別的抗干擾措施，便輕易地通過(guò)EMC測(cè)試。但在穩(wěn)態(tài)的STANDBY狀態(tài)，其輸入功耗稍大些，通過(guò)調(diào)整ND2，以及加入第二光耦I(lǐng)C904使電源在STANDBY時(shí)工作在間歇脈沖狀態(tài)，從而減少了輸入功耗。最后得出如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　輸入電壓VMAINS：(90～264)V

　　輸出電壓VO1：130V

　　輸入電壓調(diào)整率：當(dāng)VMAINS=90V～264V時(shí)，VO1=130V±0.2V

　　負(fù)載變化調(diào)整率：當(dāng)IO1=0.3A～0.6A時(shí)，VO1=130V±0.3V

　　STANDBY輸入功耗（230V時(shí)）：12W

　　AC/DC轉(zhuǎn)換效率η=85％

　　開關(guān)頻率范圍：30kHz～110kHz

　　SB頻率：8.7kHz（間歇振蕩）

4結(jié)語(yǔ)

　　利用日本SANKEN公司的電源混合型ICSTR?F6656成功設(shè)計(jì)和制成了34英寸彩色電視用開關(guān)電源，并通過(guò)了所有的例行測(cè)試，包括高，低濕測(cè)試，EMC測(cè)試和開路/短路試驗(yàn)及伴音對(duì)圖像的干擾等測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該電源能很好地滿足大屏幕彩色電視機(jī)的要求，與其他廠家的同類型IC比較，除穩(wěn)壓特性和效率基本相同外，它還具有線路更簡(jiǎn)單，干擾小，調(diào)試容易等特點(diǎn)，因此是一個(gè)不可多得的實(shí)用性強(qiáng)的電視機(jī)電源。