第五章~Adapter部分电路分析

曾文镇：LCD液晶显示器工作原理研究37第五章Adapter部分电路分析Adapter即电源适配器，由于LCD是低电压工作，而一般市用电网提供的是110V或220V的交流电压，所以需要在显示器上专门配有电源适配器其作用就是将电网的220V交流电压转换成12V的直流电压向整个LCDMonitor供电。由于显示器内部的主板上还有电压转换，所以12V的电压输入就能满足要求。在LCDMonitor中Adapter采用的是开关电源设计方法。开关电源具有体积小、重量轻、变换效率高等优点，因此被广泛应用于电子产品中，特别是脉宽调制（PWM）型的单片开关电源。PWM型开关电源的特点是固定开关频率，改变脉冲宽度来调节占空比。其基本工作原理：交流220V输入电压经过整流滤波电路变成直流电压，再由开关功率管斩波和高频变压器降压，得到高频矩形波电压，经整流滤波后获得所需要的直流输出电压。脉宽调治器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制开关功率管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压的目的。以下将要介绍的电源适配器就是这种类型的脉宽调制的单片开关电源。它所用的是UC3842脉宽调制集成控制器。UC3842有下列性能特点：⑴它属于电流型单端PWM调制器，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良、价格低廉等优点。能通过高频变压器与电网隔离，适合于构成无工频变压器的20～50W小功率开关电源。⑵最高开关频率为500kHz，频率稳定度达0.2%。电源效率高，输出电流大，能直接驱动双极型功率晶体管或VMOS管、DMOS管、TMOS管。⑶内部有高稳定的基准电压源，典型值为5.0V，允许有±0.1%的偏差。温度系数为0.2mV/℃。⑷稳压性能好。其电压调整率可达0.01%/V。启动电流小于1mA，正常工作电流为15mA。⑸除具有输入端过压保护与输出端过流保护电路之外，还设有欠压锁定电路，使工作更稳定、可靠。⑹可调整的振荡电路，可精确地控制占空比，具有自动补偿功能。⑺带锁定的PWM，可以进行逐个脉冲的电流限制。如图5.1即为UC3842的内部框图。其各引脚的作用如下：Pin1：自动补偿；Pin2：电压反馈输入端；Pin3：过流检测端；Pin4：振荡输入端；Pin5：接地端；Pin6：脉冲输出端；Pin7：直流输入端；Pin8：基准电压输出端；曾文镇：LCD液晶显示器工作原理研究38该IC用于Adapter的电路图如附图2所示。这里采用N沟道MOS功率场效应管作为开关功率管，设计的输出电压Vo=12V。以下将分析该电路的工作原理。图5-1UC3842内部框图1、Adapter原理框图：该电路属于单端反激式变换器。所谓单端，是指高频变压器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧，并且只有一个输出端。所谓反激，是指MOS开关功率管导通时，整流二极管D911截止，电能就储存在高频变压器的初级电感线圈中；当MOS功率管关断时D911导通，初级线圈上的电能传输给次极绕组，并经过D911输出。以下图5-2是该电路的工作原理框图。图5-2电路的工作原理框图2、输入交流滤波该部分的主要作用是用于防止由交流输入线引入的噪声，抑制电源内部产曾文镇：LCD液晶显示器工作原理研究39生的反馈噪声。该滤波器被设计成为电磁兼容（EMI）滤波器。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。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。为此，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。噪声分为共态噪声和正态噪声。对于单相电源，输入侧有2根交流电源线和1根地线。在电源输入侧2根交流电源线与地线之间产生的噪声为共态噪声；2根交流电源线之间产生的噪声为正态噪声。这就要求在电源输入侧接入的EMI滤波器要滤除这两类噪声。在该Adapter中使用如下图5-3的EMI滤波器。它由共态扼流圈L901，图5-3交流滤波及桥式整流滤波电路跨接线路电容C901以及线路高通滤波电容C902和C903构成。其中，L901用于滤除低频共态噪声，C901用于滤除低频正态噪声，C902和C903用于滤除高频共态和正态噪声。图中R901、R902用于拔掉电源时对电容起放电作用。3、桥式整流及滤波当220V交流输入经桥式整流输出后经滤波电容C903滤波后生成一高压的直流电压其大小为1.414VAC，C900起滤除高频电磁干扰用。4、软启动电路软启动电路如图5-4所示，图中的电阻R为R905、R906、R907、R908、R909、R910的等效电阻，由于这些电阻的阻值很大，所以其工作电流很小。刚启动开关电源时，UC3842所需要的+16V工作电压由R、C906电路图5-4电源软启动电路曾文镇：LCD液晶显示器工作原理研究40提供。+300V直流高压经过R降压后加至UC3842的输入端Vin，利用C906的充电过程使Vin逐渐升至16V以上。也就实现了软启动。一旦开关功率管转入正常的工作状态，自馈线圈N2上所建立的高频电压经D902、C906整流滤波后，就作为芯片的工作电压。此时由于R、C906电路的电流很小不能为芯片提供工作电压。至此启动过程结束。5、脉宽调制控制器UC3842图5-1为UC3842内部框图。UC3842属于电流控制型脉宽调制器。所谓电流控制型是指，一方面把自馈线圈的输出电压Vin反馈给误差放大器，在与基准电压进行比较之后，得到误差电压Vr；另一方面初级线圈中的电流在取样电阻R930上建立电压，直接加到过流检测比较器的同相输入端，与Vr作比较，进而控制输出脉冲的占空比，使流过开关功率管的最大峰值Ipm电流总是受误差电压Vr的控制，这就是电流控制型的原理。其优点是调整速度快，一旦+300V输入电压发生变化，就立即引起Ipm的变化，迅速调整输出脉冲的宽度。+5V的基准电压源有三个作用：一是供振荡器使用；二是衰减成+2.5V，接误差放大器的同相输入端，作为基准信号；三是向内部的其他电路提供工作电源。+5.0V基准电压经过定时电阻R919给定时电容C910充电，然后C910再经过芯片内部电路进行放电，从第4脚就得到锯齿波电压。振荡频率的计算公式为：9109198.1CRf5-1将R919=20kΩ，C910=3900pF代入上式，ƒ≈24kHz。需要指出，尽管UC3842的最高工作频率可达500kHz，但一般不超过250kHz，以免造成工作不稳定。UC3842的电源供电端与地之间并接了一个34V的齐纳二极管，以保证内部电路工作在34V以下，防止高输入电压带来的损坏。UC3842的误差放大器同相输入端接在内部的+2.5V基准电压上，反相输入端接收外部控制信号。在输出端和反相输入端之间可外接RC补偿网络，在使用过程中可改变RC的取值来改变放大器的闭环增益和频率响应。UC3842还能自动限流，将Ipm限制在1.18A。把过流检测电阻上的电压直接加在过流检测比较器的同相输入端。只要该电压达到1V，就会使比较器翻转，输出变成高电平，将PWM锁存器置零，使脉冲调制器处于关闭状态，从而实现过流保护。由于噪声干扰的影响，开关功率管有可能超负荷工作而损坏，为此芯片设有PWM锁存器。其作用是保证在每个时钟周期内只输出一个脉宽调制信号，能消除在过流检测比较器翻转时产生的噪声干扰。。曾文镇：LCD液晶显示器工作原理研究41输入欠压锁定电路的开启电压为16V，关断电压为10V。仅当Vin＞16V时UC3842才能启动，此时芯片工作电流约为1mA，自馈电后变成15mA。当输入欠压时，开关功率管迅速关断。UC3842的输出级为图腾柱式输出电路，输出晶体管的平均电流为200mA最大峰值电流可达±1A。6、高压保护回路高压保护回路如图5-5所示，当电网电压升高超过最大值时，自馈线圈输出的电压也将升高。该电压将会超过18V，此时ZD901被击穿，R916图5-5高压保护回路上就会产生压降，当这个压降有0.6V时将使Q903导通，拉低Q902的基极电位，使Q902也导通，这样UC3842Pin8的5V基准电压通过D904、Q903直接接地，产生瞬间短路电流，使UC3842迅速关断脉冲输出。因此Adapter也就没有电压输出，达到高压保护作用。7、开关功率管及限流电路如图5-6所示电路图。UC3842的Pin6脚输出一个如图5.7所示的脉冲波，该脉冲的频率为58.5kHz，占空比为11.4%。该脉冲控制功率管Q901的按其工作频率进行开关动作。这样变压器就开始工作，电流从Q901的漏极流向源极，在R930上产生电压。R930为电流检测电阻，由它产生的电压直接加到UC3842的过流检测比较器的同相输入端，只要该电压超过1V，将使UC3842内部的电流保护电路启动，使Pin6关闭，实现过流保护。这就是限流电路的工作原理。8、直流变换回路（变压器T901）如图5.7所示电路。当UC3842输出的如图5.8的波形，Q901做开关状态，其工作频率为58.5kHz，占空比为11.4%。T901开始工作，在高电平Q901导通，T901的初级线圈有电流流过，产生上正下负的电压，则次级产生下正上负的感应电动势，这时次级上的二极管D911截止，此阶段为储能阶段；而低电平时，开关管截止，初级线圈上的电流在瞬间变为0，曾文镇：LCD液晶显示器工作原理研究42图5-6T901工作回路初级的电动势为下正上负，在次级上感应出上正下负的电动势，此时D911导通，有电压输出。再经过整流滤波后即可输出。图5-7UC3842输出脉冲（ƒ=58.9KHz）当开关管工作时，在其DS极上产生如图5-8所示的电压波形。由图图5-8Q901漏极电压波形（ƒ=58.9KHz）曾文镇：LCD液晶显示器工作原理研究43中可以看出该电压波形有较大的浪涌电压和振铃现象，其浪涌电压的峰-峰值超过70V这是由MOS管自身关断时产生和内部二极管的反向恢复特性产生的浪涌电压，由于在电路中没有加RC吸收电路或加二极管来抑制而产生的。图5-6中T901的次级输出端的二极管上并接了一RC（R931、R932、C920）回路，用于吸收二极管D911上产生的浪涌电压。R926、D905组成波形整形回路，改善Q901的开关速度。ZD903起保护功率管的作用。由于噪声干扰或元件本身产生的干扰会在UC3842的输出脉冲上产生尖峰脉冲干扰，当此电压加到Q901的G极时，如果其值超过18V时将击穿齐纳二极管ZD903，保护功率管。当关机时T901的初级线圈还有电流，此时Q901已截止，D901、R911、C905即形成放电回路，C905同时还有起滤除高频谐波的作用。9、输出整流滤波回路D911、C921、C922、L902、C923和C924构成了电容和LC滤波器。使得输出为12V的直流电压向LCDMonitor供电。10、电压取样和反馈回路如图5-9所示的电路图为，电流、电压取样和反馈回路。图中的IC905为TL431芯片。其内部原理图如图5-10所示。其内部有一个电压比较器，该电压比较器的反相输入端接内部基准电压，该基准电压提供一个基准的比较电压，该电压为2.495V±2%。该比较器的同相输入端接外部控制电压，比较器的输出用于驱动一个NPN的晶体管，使晶体管导通，电流就可以从Cathode端流向Anode。图5-9电压、电流取样和反馈电路12V的直流电压经过R936，R937分压，在R937上产生电压该电压直接加到TL431的R端，由电路上的电阻参数可知该电压正好能使TL431导通。这样就要电流流过发光二极管，光电耦合器IC903开始工作。至此完成电曾文镇：LCD液晶显示器工作原理研究44压的取样。图5.10TL431原理图如果电网电压升高导致输出电压随之升高，这样流过IC903光电耦合器的电流也就随之增大