创维现在自己生产的电源方案较多,本篇文章拿出生产是较大同时具有代表的37—42英寸的液晶电源来叙述它的原理,详细电路图参照《附图:37寸电源图纸》。此电源由以下几部分组成:
1、 输入滤波整流电路;
2、 功率因素(pfc)校正电路;
3、 副电源电路;
4、 +12v、+24v的主开关电源系统;
一、输入滤波整流电路 开关电源虽然具有许多优点并得到广泛的应用,但由于它具有严重的射频干扰,在线性电路中的应用一直受到很大的限制。开关电源是把工频交流整流为直流后,再通过开关变为高频交流,其后再整流为稳定直流的一种电源,这样就有工频电源的整流波形畸变产生的噪声与开关波形产生的噪声。在输入侧泄露出去就表现为传导噪声和辐射噪声,在输出侧泄露出去就表现为纹波。同时外部噪声会进到电子设备中,而供给负载的电源噪声也会泄露到外部。若电源线中有噪声电流通过,电源线就相当于天线向空中辐射噪声。而这些噪声都会影响设备的正常工作。要想使其得到更广泛的应用,满足电磁兼容性的有关指标,就需要有效地抑制开关电源的干扰。 杂讯干扰的途径有两种:传导干扰与辐射干扰。以下分别对两种干扰的特性与抑制方法做一介绍。 
1.1  传导干扰及其抑制措施:
从导线传入的干扰称为传导干扰,其干扰能量通过导电体进行传播,开关电源的输入、输出引线都是传导干扰的媒介。 开关电源产生的干扰会沿电源引线进入电网,污染电网,使同一电网的电子设备受到干扰。同时电源的输出线还将把干扰噪声传递给负载,使作为电源负载的电子设备直接受到干扰,当这种干扰幅度若大到一定程度,会影响线性电路和一些小信号电路的正常工作。 由于传导干扰主要是通过输入输出引线进行传播,因而相对来说传导干扰的抑制要容易些,主要方法是加接输入输出滤波器 。 在开关电源的输入侧要介入电容与电感构成的滤波器,用于抑制交流电源产生的emi,而该滤波器也称为电磁兼容(emi)滤波器。其电路如下图3-1所示。

 图3-1:37电源输入滤波电路
该滤波器是一典型的低通滤波器,使开关电源产生的一些高频脉冲干扰经过它后得到极大的衰减,能较好的滤除来源于电网或者传入电网的干扰,使其符合fcc、ce、vde等标准。 图中l1、l2为共模扼流圈,它是绕在同一磁环上的两只独立的线圈,圈数相同,绕向相反,在磁环中产生的磁通相互抵消,磁芯不会饱和,主要抑制共模干扰,感值愈大对低频干扰抑制效果愈佳。这样绕制的滤波电感抑制共模干扰的性能大大提高。 c3、c4为共模电容,主要抑制差模干扰,即火线和零线分别与地之间的干扰。电容值愈大对低频干扰抑制效果愈好,在这里选用102pf/250v。 c1为差模电容,主要抑制共模干扰,即抑制火线和零线之间的干扰。电容值愈大对低频干扰抑制效果愈佳,在这里选用0.47uf/300v。 图中cn1为插座,接电网电压。f1为保险丝,电路中采用了规格为5a/250v的保险丝,它在高压或大电流时熔断,可防止设备在突发的高压或大电流时引起的破坏。th1为负温度系数热敏电阻,开机瞬间温度低,阻抗大,防止电流对回路的浪涌冲击。常温下其规格为3a/5Ω。r2对抗干扰电容起泄放作用,可于关机后迅速消耗掉c1储存的电能,防止带电损坏元件或对人造成电击伤害。它们的规格都为2.2mΩ,一般采用金属釉材料。 输出端的干扰抑制,主要也是靠高频滤波器.  
滤波电感由于工作在直流大电流状态下,磁芯在较大的磁场强度下工作,容易包含,一旦饱和,电感即失去滤波作用。因此必须采用饱和磁场强度很大的恒μ磁心,如铁鎳钼磁粉芯等金属磁芯。 由于输出干扰的频谱相当丰富,从几十赫兹到几十兆赫兹均含分量。由于在高频的情况下,滤波电容等效由纯电容(c)、等效串联电阻(res) 和等效串联电感(les)构成的串联电路。在工作频率f超过电容器的自谐振频率fr时,电容器就起到电感的作用。 此外,输出干扰的幅度还与pcb板的布线有很大关系,不合理的布线往往会使干扰幅度大几倍,尤其是接地点的安排特别重要。
1.2  辐射干扰及其抑制措施 从空间传入的干扰称为辐射干扰,一般是指耦合干扰,即干扰能量通过空间介质进行近场感应。由于开关电源一般工作在低压大电流情况下,因而磁场干扰大于电场干扰。主要由开关变压器的漏感、开关功率管在开关转换时的大电流脉冲、开关二极管反向恢复的硬特性等引起。 辐射干扰的抑制主要靠屏蔽。对电场可采用导电良好的材料,而磁场屏蔽则应采用导磁率较高的材料。在本文中就不作详细论述。 抑制干扰最有效的方法,是尽量减少干扰源的干扰能量。对开关电源变压器要减少其漏感,并选择开关参数优良的晶体管和软恢复的开关二极管。 
二、功率因素(pfc)校正电路
2.1、什么是功率因素补偿,什么是功率因素校正: 功率因素补偿:在上世纪五十年代,已经针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图3-2)而引起的供电效率低下,提出了改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个电容器,用以调整该用电器具的电压、电流相位特性。例如:当时要求所使用的40w日光灯必须并联一个4.75μf的电容器)。用电容器并联在感性负载的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因素补偿(交流电的功率因素可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。
 
图3-2  在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形 从上世纪80年代起,用电器具大量采用效率高的开关电源,由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使该用电器具的负载特性呈现容性,这就造成了交流220v在对该用电器具供电时,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多;根据整流二极管的单向导电性,只有在ac线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当ac输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止。也就是说,在ac线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通;虽然ac输入电压仍大体保持正弦波波形,但ac输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图3-3所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因素严重下降。 在正半个周期内(180º),整流二极管的导通角大大小于180º,甚至只有30º~70º;由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态。它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3-4),并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰-emi和电磁兼容-emc问题)。

图3-3  全波整流电压和ac输入电流波形 

自从用电器具从过去的感性负载(早期电视机、收音机等的电源均是采用电源变压器的感性器件)变成带整流及滤波电容器的容性负载后,其功率因素补偿的含义不仅是供电的电压和电流不同相位的问题,更为严重的是要解决因供电电流呈强脉冲状态而引起的电磁干扰(emi)和电磁兼容(emc)问题。 这就是在上世纪末发展起来的一项新技术(其背景源于开关电源的迅速发展和广泛应用),其主要目的是解决因容性负载导致电流波形严重畸变而产生的电磁干扰(eml)和电磁兼容(emc)问题,所以现代的pfc技术完全不同于过去的功率因素补偿技术,它是针对非正弦电流波形畸变而采取的,迫使交流线路电流追踪电压波形瞬时变化轨迹,并使电流和电压保持同相位,使系统呈纯电阻性的技术(线路电流波形校正技术),这就是pfc(功率因素校正)。所以现代的pfc技术既完成了电流波形的校正,也解决了电压、电流的同相问题。 [page]

图3-4  正常供电电压波形和接入容性负载后电压波形畸变  由于以上原因,要求用电功率大于85w以上(有的资料显示大于75w)的容性负载用电器具,必须增加校正其负载特性的校正电路,使其负载特性接近于阻性(电压和电流波形同相且波形相近),这就是现代的功率因素校正(pfc)电路。  2.2  怎样进行功率因素校正: 2.2.1 功率因素校正:(pfc) 我们目前使用的电视机,由于采用了高效的开关电源,而开关电源内部电源输入部分,无一例外的采用了二极管全波整流及滤波电路,如图3-5a所示,其电压和电流波形如图3-5b所示。

图3-5  全桥整流滤波电路及电压和电流波形图

为了抑制电流波形的畸变及提高功率因素,现代的功率较大(大于85w)具有开关电源(容性负载)的用电器具,必须采用pfc措施,pfc分为有源pfc和无源pfc两种方式。
2.2.2、无源pfc电路: 不使用晶体管等有源器件组成的校正电路,一般由二极管、电阻、电容和电感等无源器件组成。 目前国内电视机对过去设计的功率较大的电视机,在整流桥堆和滤波电容之间加一只电感(适当选取电感量),利用电感上电流不能突变的特性来平滑电容充电强脉冲的波动,改善供电线路电流波形的畸变,并且利用电感上电压超前电流的特性也补偿滤波电容电流超前电压的特性,使功率因素、电磁兼容和电磁干扰得以改善,如图3-6所示。


图3-6  无源pfc电路

此种方式还不能称为真正的无源pfc电路,只是一种简单的补偿措施,可以应用在前期设计的无pfc功能的设备上,简单的增加一个合适的电感(适当选取l和c的值),从而达到具有抑制电流瞬时突变的目的;但是这种简单的、低成本的补救方法,输出纹波较大,滤波电容两端的直流电压也较低,电流畸变的校正及功率因素补偿的能力都很差,而且l的绕制及铁芯的质量控制不好,会对图像及伴音产生严重的干扰,只能是对于前期无pfc设备使之能进入市场的临时措施。 2.2.3、有源pfc电路的原理: 有源pfc电路则有很好的效果,基本上可以完全消除电流波形的畸变,而且电压和电流的相位可以控制保持一致,它基本上完全解决了功率因素、电磁兼容、电磁干扰的问题,但是电路非常的复杂。其基本思路是在220v整流桥堆后去掉滤波电容(以消除因电容充电造成的电流波形畸变及相位变化),由一个“斩波”电路把脉动的直流变成高频(约100khz)交流经过整流滤波后,其直流电压再向常规的pwm开关稳压电源供电,其过程是ac→dc→ac→dc。
有源pfc电路的基本原理是在开关电源的整流电路和滤波电容之间增加一个dc-dc的斩波电路,如图3-7所示(斩波电路等于附加一个开关电源)。对于供电线路来说,该整流电路输出没有直接接滤波电容,所以其对于供电线路来说呈现的是纯阻性的负载,其电压和电流波形同相、相位相同。斩波电路的工作也类似于一个开关电源,所以说有源pfc开关电源就是一个双开关电源的开关电源电路,它是由斩波器(我们以后称它为:“pfc开关电源”)和稳压开关电源(我们以后称它为:“pwm开关电源”)组成的。

图3-7  有源pfc电路

2.2.4、斩波器部分:(pfc开关电源)
 整流二极管整流以后不加滤波电容器,把未经滤波的脉动正半周电压作为斩波器的供电电源,由于斩波器一连串做“开关”工作脉动的正电压被“斩”成图3-8所示的电流波形,其波形的特点:(1)电流波形是断续的,其包络线和电压波形相同,并且包络线和电压波形相位同相;(2)由于斩波作用,半波脉动的直流电变成高频(由斩波频率决定,约100khz)“交流”电,该高频“交流”电要再次经过整流才能被后级pwm开关稳压电源使用;(3)从外供电总的看,该用电系统做到了交流电压和交流电流同相,并且电压波形和电流波形均符合正弦波形,既解决了功率因素补偿问题,也解决了电磁兼容(emc)和电磁干扰(emi)问题。 该高频“交流”电再经过整流二极管整流,并经过滤波变成直流电压(电源)向后级的pwm开关电源供电,该直流电压在某些资料上把它称为b+pfc。斩波器输出的b+pfc电压会高于原220v交流整流滤波后的+300v,一般为380v~420v,其原因是选用高电压、电感的线径小、线路压降小、滤波电容容量小、滤波效果好,对后级pwm开关管要求低等等诸多好处。

黑色实线为电压波形                      红色虚线为电流包络波形

图3-8  斩波器输出的电压和电流波形图

2.2.5、目前pfc开关电源部分,起到开关作用的斩波管(k)有两种工作方式: (1)连续导通模式(ccm): 开关管的工作频率一定,而导通的占空比(系数)随被斩波电压的幅度变化而变化,如图3-9所示。 图中t1和t2的位置:t1在被斩波电压(半个周期)的低电压区,t2在被斩波电压的高电压区,t1(时间)=t2(时间)。从图中可以看到,所有的开关周期时间都相等,这说明在被斩波电压的任何幅度时,斩波管的工作频率不变。从图3-10中可以看出,在高电压区和低电压区,每个斩波周期内的占空比不同(t1和t2的时间相同,而上升脉冲的宽度不同),被斩波电压为零时(无电压),斩波频率仍然不变,所以称为连续导通模式(ccm),该种模式一般应用在250w~2000w的设备上。

图3-9  连续导通模式(ccm)

(2)不连续导通模式(dcm): 斩波开关管的工作频率随被斩波电压的大小变化,每一个开关周期内“开”、“关”的时间相等,如图3-10所示。t1和t2时间不同,也反映随着电压幅度的变化其斩波频率也相应变化;被斩波电压为“零”时,开关停止(振荡停止),所以称为不连续导通模式(dcm),即有输入电压斩波管工作,无输入电压斩波管不工作。它一般应用在250w以下的小功率设备上。

图3-10  不连续导通模式(dcm)

(3)临界导通模式(crm)或过渡模式(tcm): 工作介于ccm和dcm之间,工作更接近dcm模式。在上一个导通周期结束后,下一个导通周期之前,电感电流将衰减为零,而且频率随着线路电压和负载的变化而变化。 优点:廉价芯片、便于设计,没有开关的导通损耗,升压二极管的选择并非决定性的; 缺点:由于频率变化,存在潜在的emi问题,需要一个设计精确的输入滤波器。  2.2.6 创维37液晶电源pfc电路工作原理 创维的大屏幕液晶的开关电源,都加有功率因素(pcf)校正电路,请参见下图3-11

图3-11 37液晶电源pfc电路图

原理说明:交流220v经桥式整洁电路整流后,经l3滤波、抑制干扰后,送到储能电感t1,由mos管q1进行暂波,并由d2进行整流,c8进行滤波,得到一个400v(b+pfc)的直流电源。此部分相当于一个开关电源,它将交流220v整流后没有滤波的电源送到此电路,由此电路将它升压成400v向主开关电源供电。
当u1的第1脚有15v供电时,此芯片方能正常工作,此电源来自于副电源,由待机控制管q5来进行控制。 u1(str-e1555)的3脚输出pfc校正的开关信号。由q2、q3射随放大后,去推动q1的控制栅极。使q1工作在开关状态。 b+pfc(400v的稳压过程):因本电源的工作范围宽,市电110v-240v此电源都能工作正常,也就表示当输入市电的电压不管是最低交流110v,还是最高交流240v,此b+pfc的400v电压将维持不变。它的稳压过程如下: 当b+pfc的400v电压下降时,由r20、r21、r22、r23上分到的电压也将下降,(正常为4v)此电压送到u1的第6脚。在u1内部进行比较,它输入u1的6脚电压下降时,内部稳压电路起控,使u1的第3脚输出的占空比的宽度加宽。使q1的导通时间延长,t1储能增加,从而输出的电压上长。以达到稳压的目的。当b+pfc的400v电压上升,与此工作过程相反。 pfc过压保护:当b+pfc输出的400v电压超出本机限定值时,由r25、r26、r27、r46、r28组成的分压电路,在r28上的电压也将上升,当此电压上升超过2.5v时,电压比较器u2将输出低电平,导致q6导通,导致u1的第10脚为高电平,当10脚为高电平时,u1将进入保护状态,无肪宽调制信号输出,导致本电源无输出。故当本电源不工作时,u1的第10脚也是一个关键测试点。 [page]

2.2.7 副电源工作原理: 本电源的副电源由t2、str-a6159m、d15、u6等组成一个简单的反激电路,此电路将市电经整流后的电压转换成一个稳定的+5v电压输出,此+5v输出电压为cn8的第一脚,此电压只要将交流电源接上就应有输出,它主要给主板中的cpu提供一个工作电压,使它维持在工作状态,以便接受遥控开关机信号。 此电源的启动脚由str-a6159m第5脚来启动,当通电后,市电整流后的电源通过d10整流,c22滤波,再通过三个36v稳压管,zd6、zd7、zd8加到str-a6159m的第5脚,此芯片得到此电压,内部开始起振。 str-a6159m引脚功能: 1脚:内部mos管的源极; 2脚:str-a6159m的供电脚; 3脚:接地脚; 4脚:误差信号输入;
5脚:启动脚; 6脚:空; 7脚、8脚:内部mos管的漏极。
控制方式:本电源为高电平控制方式,即高电平时输出+24v与+12v,低电平时不输出电压,在开机时,从主板过来的高电平控制信号,通过cn8的3脚,加到q10的基极,使q10导通,q10去控制光藕pc4的内部发光管发光,使pc4内部的光敏三极管导通,由pc4去控制q5导通,由副电源输出的15v供电,通过q5的发射极输出,加到主电源芯片u1的第1脚,此时主芯片工作,输出本机的+12v与+24v,使主电源完全启动。待机时,以上过程相反,它主要是控制u1的供电,在待机时,关断u1的代电即可关掉本机的主电源。

副电源电路原理图见图3-12;
 
图3-12 副电源电原理图 

2.2.8主开关电源工作原理:
本机的主开关电源,由主电源芯片u1(str-e1555)、t3以及其它的外围电路组成,str-e1555内部有pfc功能,以它组成的开关电源外围元件少,性价比高。 此部分电路参见主电路图: 工作原理:由pfc电路输出的+400v电源,通过开关变压器t3的3脚-6脚,加到u1的21脚,此脚是str-e1555内部mos管的漏极,由内部mos进行开关控制,从它的源极(u1的17脚)输出,通过r17到地。r17在这里的作用主要有两个,第一是限流的作用,第二是电流取样的作用。当此电阻上的压降超过0.7v时,此0.7v的电压由r16送到u1的13脚,此时u1内部将进行保护,u1停振,从而起到过流保护的目的。 稳压原理:此电源的输出有两组,一组是+12v,另一组是+24v,在稳压的过程中,先要进行取样,原理如下图3-13:

图3-13 电源取样部分电路图

由上图3-13所示,+24v通过r58、+12v通过r68,与r40、r41组成的分压电路,此电压的基准值是2.5v。当此电压降低或升高,则表示+12v与+24v也会同样变化。由电压比较器u7去控制光藕pc2a内部的发光管,由pc2b的光敏三极管导通或关断,去控制u1内部的mos管导通的时间的长短,从而达到稳压的目的。 过压保护原理:此电源的过压检测电路分另在+12v与+24v上都设有检测电路。24v的检测是通过zd3与d13,+12v则是通过zd4来完成检测。也就是当+24v电压上升超过27v,+12v电压超过15v时,光藕pc1a内部的发光管会亮,此时去控制pc1b的风敏三极管导通,从而使u1的第10脚为高电平,u1检测到此高电平时,即保护停振,达到保护的目的。 其它保护电路:当+24v高于+12v时超过去12v以上时,由q7、q8、zd5组成的自锁电路将会起控,q7、q8将导通,只要不关电,此管将一直维持导通,由q7的集电极输出高电平去控制光藕pc1a内部发光管发光(原电路图此部分未画出),此时去控制pc1b的风敏三极管导通,从而使u1的第10脚为高电平,u1检测到此高电平时,即保护停振,达到保护的目的。
2.2.9 电源部分的维修
此电源部分的维修并不复杂,只要了解它的工作原理,其维修方法与crt彩电相同,本文列举一些常见故障的维修方法供大家在维修时参参考。 如在检修不开机的故障时,先要查一下副电源的+5v有没有输出。如+5v没有输出,则先检修副电源部分。

检修主要考虑以下几个方面: 1、检查整流后c22的电压是否大于120v(dc); 2、检查电源板输出端有无短路。 3、c25.d15是否损坏短路; 4、检查ka431反馈电路是否正常; 5、 检查待机电源的ic以及外围元气件有无损坏,电源板有无连焊、飞脚等杂物; 6、 查副电源芯片有无损坏等; 7、检查r37的阻值是否正常; 8、zd2是否正常; 9、检查电源板输出端有无短路; 10、检查c32.r43.d7是否正常。 一般副电源损坏由以上几部分造成的,如副电源正常,还不开机,则要查主电源部分是否正常,可按以下流程进行检修: 1、给cn8的第3脚一个开机电平,可接高电平(大于2.5v即可),如没有此电平,则故障应该在主板上,而不在电源板上。如果有此高电平,还无输出+12v与+24v。则查主电源部分; 2、查u1的代电,先检查q5的c极电压是否15v,如无,则查相关供电电路; 3、否则检查on/off电路是否正常工作,如q10、q5、pc4等是否正常; 4、倘若电压u1的供电达到15v,则测c8的正电源端看电压是否超过400v; 5、如超过400v请检查r20.r21.r22,c19,c23是否正常,如这几个分压电阻是否有变值现象等,只要r20、r21、r22、r23这几个电阻有变值,都会引起此b+pfc电压400v不正常; 7、 未超过400v请检查输出电压24v.12v电压是否有过压现象。 8、检查电源的ic以及外围元气件有无损坏,电源板有无连焊、飞脚等杂物; 9、检查d14.d12.d11有无短路; 10、检查24v.12v输出有无短路; 11、pc2有无短路;
12、可将主电源带负载,如果发现带负载电压迅速下降,而负载又没有过流现象,则要查:检查r17是否正常,只要此电阻变大一点,都会引起带不起负载;检查r18.c9.sara1是否正常等。 最后,维修好的电源板要进行老化一段时间,才能交用户使用,以避免个别元件不良,引起再次的损坏。