北廣全固態(tài)發(fā)射機遙控系統(tǒng)開關電源原理分析跟典型故障檢修.docx

北廣全固態(tài)發(fā)射機遙控系統(tǒng)開關電源原理分析與典型故障檢修 摘要： 對北廣TVU233型300W全固態(tài)電視發(fā)射機遙控系統(tǒng)所使用相對獨立的24V2A直流開關電源的結構特點、工作原理進行了詳盡解剖與分析，重點介紹以TOP227Y為核心器件的脈寬調制開關電源的工作原理，總結了所發(fā)生故障的原因與維修排除過程，提供了開關電源正常工作時的典型數據，為今后快速維修排除該電源的其它各類故障提供相應的技術借鑒，以確保發(fā)射機的安全運行和系統(tǒng)可靠性。關鍵詞：發(fā)射機 安全運行 開關電源 TOP227Y 故障檢修引言江陰電視臺自從啟用北廣全固態(tài)彩色電視發(fā)射機以來，可以實現遠端光纖遙控與監(jiān)測發(fā)射機實時工作狀態(tài)等功能，包括最常用的遙控開機與關機，給發(fā)射機的使用與維護帶來極大的方便。該發(fā)射機遙控監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱遙控系統(tǒng)）供電所采用的是相對獨立的24V2A直流開關穩(wěn)壓電源，該電源的輸入端為交流220V，與發(fā)射機的總電源開關同步輸入。一旦該電源出現故障，會引起遙控系統(tǒng)自動關閉發(fā)射機，因此，該直流電源性能的穩(wěn)定與可靠對發(fā)射機而言是十分重要的。以江陰電視臺18頻道TVU233型300W全固態(tài)電視發(fā)射機為例，其遙控系統(tǒng)供電電源即采用了這一獨立的直流開關電源。該發(fā)射機在實際運行中就曾出現過因該電源故障而引起高壓關閉、信號中斷。本文對該開關電源的結構、原理等進行了詳盡解剖分析，以使其在出現故障時能夠快速準確地徹底修復，進而確保了發(fā)射機的安全運行。一、結構特點傳統(tǒng)的開關電源已經相當成熟且應用廣泛，該電源同樣采用了高頻開關結構，以高頻變壓器和光耦作為熱電隔離，電源本身設有安全設備接地（）、火線接地（）和直流輸出（信號）接地（），三個接地相互高壓絕緣隔離。電源設計結構緊湊，采取全金屬網罩屏蔽，體積小巧且散熱性能好。二次整流管選取了C92M型雙整流管模塊以提高抗電流沖擊性能。為使電源輸出電壓調整精準，采用了LM431可調并聯精密穩(wěn)壓器件進行取樣控制。該電源最大特點，是采用了TOP Switch三端式脈寬調制（PWM）集成電路TOP227Y作為核心器件，可免去許多外圍元件和輔助電路，其特點是結構簡潔，性能穩(wěn)定，適應電壓范圍寬，轉換效率高，設計和維修方便。二、電路原理1.脈寬調制開關電源基本原理經實際電路解剖分析，該電源采取的是高頻脈寬調制開關電源原理。該原理的總體框圖如圖1所示，220V交流電經輸入回路的一次整流濾波，形成約310V帶波紋的直流電壓進行高頻功率變換，變換后的高頻脈動電壓再作二次整流和濾波輸出所需直流電壓，并從輸出的直流電壓經控制電路取樣反饋至功率開關電路，從而得到可調整和穩(wěn)定的直流輸出電壓。 圖1 高頻脈寬調制開關電源原理圖 2.TOP227Y電路原理 該電源核心器件TOP227Y是TOPSwitch-系列中一款功率可達150W的芯片。它的三個管腳分別為控制極C（Control）、源極S(Source)、漏極D(Drain)。TOP227Y的內部原理如圖2所示，主要包括以下十個組成部分。1）控制電壓源控制電壓源Uc以兩種方式向并聯控制器/誤差放大器提供偏置電壓，一種是滯后調節(jié)，一種是并聯調節(jié)。控制電流Ic用于調節(jié)功率開關脈沖占空比；2）帶隙基準電壓源除了向內部提供基準電壓外，還產生具有溫度補償可調節(jié)的電流源，用來精確設定振蕩器頻率和門驅動電流；3）振蕩器提供脈寬調制所需的SAW鋸齒波、Dmax最大占空比信號和CLOCK時鐘信號；4）并聯控制器/誤差放大器當Ic超出正常值時，通過并聯控制器進行分流。誤差放大器則將反饋電壓Ufb與5.7V基準電壓比較后生成誤差電壓Ur；5）PWM調制器通過Ic的改變，連續(xù)調節(jié)脈沖占空比以實現脈寬調制（PWM），并濾除開關高頻噪聲；6）門驅動與輸出級用于驅動MOSFET功率管，使之按照規(guī)定的開關頻率導通和關閉，并將共模電磁干擾減至最??；7）過熱保護與上電復位當芯片結溫Tj135時，過熱保護電路啟動將觸發(fā)器置1，通過主控門關斷輸出級。當斷電后再通電，或將Uc降至閥值（3.3V）以下，上電復位電路啟動將觸發(fā)器置0，恢復輸出級正常狀態(tài)；8）過流保護檢測漏極電流Id過大時，過流保護電路通過“與”、“或”門將觸發(fā)器置0，從而關閉MOSFET功率管，起到過流保護作用；9）系統(tǒng)關閉/自動重啟當脈寬調節(jié)失控時，該電路使芯片在5%占空比下工作并切斷Ic。故障一旦排除，將自動重新啟動電源，恢復正常工作狀態(tài)；10）高壓電流源在啟動或滯后調節(jié)模式下，該電源經由S給內部電路提供偏置，并對Ct進行充電。 圖2 TOP227Y電路原理圖圖2中，Zc為控制極動態(tài)阻抗，Re為誤差電壓檢測電阻，Ra與Ca組成截止頻率為7kHz的低通濾波器。TOP227Y為單片反激式開關電源芯片，它的基本工作原理是當電源正常工作時，開關S關斷高壓電流源改接內部電源，在控制環(huán)路與振蕩環(huán)路作用下，漏極有電流流入芯片提供開環(huán)輸入，該輸入通過并聯調整器/誤差放大器放大，由控制極進行閉環(huán)調整，改變Ic的大小，經PWM調制器控制MOSFET功率管的輸出占空比，從而達到動態(tài)平衡，獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓。3.實際電路原理圖3為依據實物繪制的全固態(tài)發(fā)射機遙控系統(tǒng)供電電源?；赥OP227Y的強大功能，只要少量的外圍電路，就可以構成輸入電壓范圍寬、電源轉換效率高、電網安全隔離好、結構簡單、成本低廉、電磁干擾小、功耗低、各種保護完備、工作性能穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源。在實際電路中，圍繞TOP227Y的外圍電路只需要輸入整流濾波、鉗位保護、高頻變壓器、輸出整流濾波及反饋電路等五個部分。1）輸入整流濾波電路該電路包括交流濾波、整流和直流濾波。交流濾波選用了技術成熟的型濾波電路。標為R02和R03的電容與電容C02、C03組成去除共模干擾電路，C01、C04則用于去除差模干擾。C06、C05和R05組成直流濾波電路，其中C05選用耐壓400V、容量100F，起主要濾波作用，C06和R05用于高頻雜波吸收和抗干擾。圖3 全固態(tài)發(fā)射機遙控系統(tǒng)開關電源原理圖2）鉗位保護電路由于開關電源工作頻率高達100kHz，當TOP227Y的MOSFET功率管由導通轉為截止瞬間，會在高頻變壓器初級繞組產生極高的尖峰和反射電壓。由V07、V06組成的鉗位電路可有效吸收和抑制尖峰、反射電壓。其中V06為反向擊穿電壓200V的穩(wěn)壓管9908E，也叫“瞬態(tài)電壓抑制器”；V07為反向耐壓600V的超快恢復整流管MUR160。在實際電路中，V06緊帖在一塊25202(mm)的銅質導電體上并與其正極相接，用以對V06自身散熱保護，如圖3標志“*”所示。3）高頻變壓器高頻變壓器是整個開關電源功率轉換的核心器件，由于工作在高頻狀態(tài)，對該器件的工藝和電氣設計要求很高。該器件體積小巧，有別于體積龐大的工頻變壓器，故開關電源也稱作“無變壓器”電源。本電路中的高頻變壓器為多達14腳的多繞組變壓器，而實際使用的是其中主要的三組繞組：57組為初級高頻振蕩繞組，1413組為高頻脈沖輸出級繞組，1（9）3（8）組用于反饋回路脈沖取樣繞組，同時為起到隔離作用的光耦電路提供可變化的工作檢測電流，既為脈寬調整提供條件，又確保了電網隔離。變壓器繞組的“同名端”對電源工況影響極為關鍵，如圖3標注“”所示。4）輸出整流濾波電路輸出整流濾波電路由V09、C10、C11C24、L02、C13C14等組成。其中整流二極管V09的開關損耗（正向導通損耗和反向恢復損耗）約占系統(tǒng)損耗的1/6，也是影響開關電源效率的重要因素。由于肖特基二極管反向恢復時間短，對于降低反向恢復損耗和消除正向輸出電壓波紋優(yōu)勢明顯，故選用了C92M型肖特基二極管用于二次整流輸出。C92M整流管特別之處還在于它是由兩只二極管并聯而成，以此增加了整流電路的輸出功率和抗沖擊性能。濾波電路以C10、L02、C13C14為主，電容選用耐壓大于35V、容量為1000F，電感則選用3.3mH磁芯電感，用以抑制加到負載的高頻噪聲。5）反饋電路反饋電路主要由可調式精密并聯穩(wěn)壓器TL431和線性光電耦合器Q817B共同組成，可使輸出電壓調整率達到0.1%。反饋電路是開關電源穩(wěn)壓的關鍵環(huán)節(jié)，直流反饋環(huán)路增益由光耦輸入電流控制電阻R08、光耦電流傳輸比TOP227Y的PWM控制增益來決定。R06、C（47F/50V）為環(huán)路增益頻率特性補償回路，使反饋更加穩(wěn)定。調整R14（2k）精密可調電阻，通過LM431可使輸出電壓在20.3V37.6V之間可調。當調整輸出電壓固定在某一值時，電源的穩(wěn)壓經反饋回路的過程是：當輸出電壓欲升高時，由R15、R13和R14組成的電壓取樣電路中a點電壓Ur上升，流過LM431的KA電流增加，b點電壓Uk下降，流過光耦Q817B內發(fā)光二極管電流增加，耦合到光耦射級電流即流入TOP227Y控制極C的Ic增加，內部PWM調制器據此調整開關脈沖占空比D減少，使輸出直流電壓降低。當輸出電壓欲降低時，其反饋工作過程與此相反，從而得到相對穩(wěn)定的輸出直流電壓。三、故障檢修1.故障現象發(fā)射機在正常工作時突然高壓關閉，信號中斷。經查屬該開關穩(wěn)壓電源輸出由24V降為0V，拆下電源后單獨檢查測試，確認電源本身出現故障。2.檢修過程對實際電路外觀檢查，發(fā)現TOP227Y源極管腳已經與線路主板有脫離縫隙，且有打火痕跡。拆下該器件，用萬用表測量三極間已經完全開路，確認芯片已經損壞。更換正常的TOP227Y，并對主板其它關鍵部件如V01V04整流管1N4007、V06V07鉗位穩(wěn)壓整流管、C05C15所有濾波電容、V09整流管及Q817B與LM431等檢測，除V08（1N4148）光耦供電整流二極管已擊穿短路更換后，其他器件確認無誤，加電試機，發(fā)現輸出電壓在220V之間不斷波動，且伴有“咔嚓咔嚓”響聲，說明還有故障未排除。依此現象表明應當是在穩(wěn)壓反饋環(huán)路中有問題，進一步對所有反饋環(huán)路包括電阻電容等再作檢查，并未發(fā)現異常，至此檢修陷入僵局。用萬用表重點對Q817B光耦重新測量時，發(fā)現、腳C、E結電阻正反向還是為，按經驗判斷硅NPN結此阻值應屬正常。為徹底排除疑難，沒有現成的Q817B光耦作比較測量，但用同樣封裝結構的線性光耦P621測量時，發(fā)現C、E反向電阻但結正向電阻為86k，于是初步懷疑原Q817B光耦C、E結已開路損壞。于是用P621予以代替更換，結果電路進入正常工作狀態(tài)，輸出24.3V且非常穩(wěn)定，至此故障排除。3.檢修小結通過以上對該開關電源的檢修，有以下兩點體會值得總結。1）在對關鍵部件的檢測中，僅憑經驗粗略測量，會產生誤判，使維修工作走彎路。比如原光耦Q817B的C、E結已經擊穿開路，但第一次測量并未予以重視，誤以為正常，上機加電后，便出現如前所述的“二次故障”現象。2）分析研判該電源此次故障的根本原因，發(fā)現原TOP227Y器件曾經維修更換過。所更換的TOP227Y三個管腳長度被剪過短，當與散熱板固定后，管腳不能正常插入主板焊孔內，只能用焊錫將管腳“搭焊”在主板焊孔外。由于該器件為高頻大功率部件，連續(xù)工作時會產生高熱，長時間持續(xù)發(fā)熱，導致三個極當中的源極與主板逐步出現氧化脫焊，某一瞬間剝離開路的同時產生打火，致使本身擊穿開路損壞，也導致V08整流管和Q817B光耦損壞。由此可見，在電子電路維修過程中，更換器件的工藝要求應當嚴格按標準執(zhí)行，不可以圖省事，馬虎敷衍，否則就會出現類似不應出現的意外故障。為了確保今后發(fā)射機的安全運行，除了備用一款同樣的24V2A直流開關電源外，對實際開關電源電路的應用參數和實測參考數據做出記錄，該電源一旦再次出現故障時能夠有所參照并盡快修復。1）Ic從2mA增至6mA時，D就會由67%減至1.7%；2）控制極C與內部并聯控制器/誤差放大器連接，為芯片提供正常工作電流，且0Ic100mA；3）通過外部旁路電容與內部電源支路連接確定芯片自啟動頻率，頻率范圍：80kHzf100kHz；4）控制回路補償電壓典型值：5.7VUc9V；5）輸入交流電壓由85V變化到275V時，TOP227Y導通時間及關斷電壓如表1所示；表1 TOP227Y不同輸入電壓實測參考數據電網輸入電壓（V）85112131173226275功率管導通時間（S）5.14.63.73.22.72.2關斷電壓峰-峰值（V）2062472893464305286）當輸出電壓固定在24V時，實際電路中關鍵點參考電壓（用VC9802A+型數字萬用表測量）如表2所示；表2 開關電源24V輸出時關鍵節(jié)點電壓實測參考數據節(jié)點位置abcdefg相對火線地電壓（V）6.73248.4相對信號地電壓（V）2.820.724227）用MF14型萬用表測得正常TOP227Y的離線電阻參數如表3所示。表3 TOP227