- 全固態電視發射機中的高性能開關電源設計
- 通過調節脈沖寬度來改變占空比
- 通過接入源極， 反饋電阻Rs 去控制電流檢測比較器
為了建設低碳可持續型社會，人們對環保節能低耗綠色能源提出了更高的要求。隨著各種功率開關元件的研制、應用，隨著各種類型專用集成電路、磁性元件、高頻電容研制成功，應用功率電子學技術理論研究不斷深化，功率變換器拓撲及其對偶理論日益完善。如今開關電源的工作頻率從20KHz 提高到500KHz 甚至到1MHz ,功率也從最初的幾瓦、幾十瓦提高到了幾千瓦、幾十千瓦甚至更高，效率可以達到90%以上。完全適應當今高效率、小型輕型化、低功耗的技術要求，從而取代了笨重的工頻變壓器。在現階段各種輸入輸出設備有90%以上都采用開關電源方式供電，只有少數音響功放為了追求更高的音質而采用環形變壓器供電方式。開關電源是實現綠色能源的重要手段，也是今后相當長一段時間綠色能源發展方向。
全固態發射機，除了信號指標的提升外，體小量輕、高效低耗、積木式結構維護簡單是它的顯著優點，其供電方式采用六只26V/100A 開關電源分別為六路末級功放供電。開關電源是整個發射系統的能量保障，本文介紹開關電源分類、工作原理、優缺點以及維修方法等。
一、開關電源按照控制原理可以分為四類
1、脈沖寬度調制（簡稱PWM、即脈寬調制）式：工作方式為開關周期為恒定值，通過調節脈沖寬度來改變占空比，實現穩壓的目的。
2、脈沖頻率調制（簡稱PFM, 即脈頻調制）式：工作方式為脈沖寬度為恒定，通過調節開關頻率來改變占空比。
3、脈沖密度調制（簡稱PDM,即調密制）式：其特點工作方式是脈沖寬度為恒定，通過調節脈沖數實現穩壓的目的。這種調制方式需采用零電壓技術，能顯著降低功率開關管的功耗。
4、混合調制式（即脈沖寬度調制和脈沖頻率調制兩種方式相結合）開關周期和脈沖寬度都不固定，均可調節。
以上四種方式統稱為"時間比率調制"（即TRC 方式）。其中脈沖寬度調制方式技術最為成熟，應用也最為廣泛。如早期產品CW1525A、1527A, 近期產品T494、UC3842 等均為脈沖寬度調制。
二、開關電源的工作原理及其性能
以上四種調制方式以脈沖調寬開關電源在實際應用中最為廣泛。基本構成如圖1- 1 所示，主要由以下6 部分組成。
接入交流電網（50Hz ,220V AC 或者115VAC）經EMI 防電磁干擾電源線濾波器，直接整流濾波變成直流，再經變換器將直流電壓（275V 或172V） 變換為數十KHz 或數百KHz的高頻方波或準方波電壓控制功率開關管，經高頻率變壓器隔離、降壓（或升壓），再經高頻整流濾波后輸出直流電壓，經取樣、比較、放大控制PWM 調制器驅動功率開關管的占空比。從而可以得到穩定的輸出電壓。
通過以上介紹我們基本了解了開關電源的分類及其脈沖寬度調制類型的基本構成。但在實際運用中，PWM 制式開關電源有兩種控制類型，一種是電壓控制方式，一種是電流控制方式。電流控制方式開關電源是在電壓控制環路基礎上又增加電流控制環路。基本原理如圖1- 2（a , b）所示：
通過接入源極， 反饋電阻Rs 去控制電流檢測比較器。Us 為電流檢測電阻壓降， 此時PWM 比較器為電流檢測比較器。電流控制型通過檢測電阻來檢測電流，并且可逐個周期的限制電流，便于實現過流保護。固定頻率的時鐘脈沖將PWM 鎖存器置位，從Q 端輸出的驅動信號為高電平，使功率開關管VT 導通，高頻變壓器一側電流線性地增大。當電流檢測電阻Rs 上的壓降達到并超過Us 時，電流檢測比較器翻轉，輸出的高電平將鎖存器復位。從Q端輸出的驅動信號變為低電平，令開關管關斷直到下一個時鐘脈沖使PWM 所存器置位。電流控制型開關電源具有以下優點：
（1）它屬于雙閉環控制系統，外環由電壓反饋電路構成，內環由電流反饋組成，并且電流反饋電路受電壓反饋的控制。與純電壓反饋電路相比，電流反饋電路的增益帶寬更大。
（2）對輸入電壓瞬時變化的響應速度快，當輸入電壓發生變化時能迅速調整輸出電壓以達到穩定值。這是因為輸入電壓的變化會導致高頻變壓器一側電感電流發生變化，進而使Us 改變，無須經過誤差放大器，直接通過電流檢測比較器就能改變輸出脈沖的占空比。
（3） 電壓控制環和電流控制環雙重控制下，可提高電壓調節技術指標。簡化誤差放大器補償網絡的設計。
（4） 只要電流保護設定閥值，PWM 電流比較器就會動作，使功率開關管關斷，維持輸出電壓穩定。電流控制型本身帶有限電流保護，只需改變Rs 值，即可精確設定限電流閥值。
此電流控制型電路也存在許多不足的地方：如電路較電壓控制型復雜，給電路問題分析帶來了困難。當占空比超過50%時，高頻變壓器一側電感工作在連續儲能模式，開關電流信號的上升斜率較小，可能造成控制電路工作不穩定，需加斜率補償。對噪聲抑制能力較差，只要在電流信號上疊加較小噪聲，就容易導致PWM 控制器誤動作，需增加噪聲抑制電路等。
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三、固態發射機中開關電源原理及維修
以上是開關電源基本原理和控制方式的介紹，結合我們實際工作中固態發射機開關電源控制方式以及理論理解，使我對大功率開關電源原理、整體控制方式有了進一步的認識。現以5kW- 14CH 大功率合放式全固態電視發射機直流26V/100A 正激開關電源變換器的工作原理和維修方法來簡單介紹一下，如圖1- 3 所示：
輸入電壓220V AC 經過輸入防電磁干擾濾波器，經過整流電路、開機浪涌電流啟動保護電路和濾波電路，產生280V 左右的直流電壓，供給變換器單元。控制單元包括電壓、電流比較放大器，PWM 比較器，輔助電源等，它控制一個雙晶體管正激變換器，從而達到穩定輸出電壓目的，經變壓器耦合向負載傳輸能量。
對于大功率輸出開關電源變換器，常用還有全橋變換器、半橋變換器等。雙晶體管正激變換器也是一種單端變換電路，它不像半橋、全橋變換器等雙端電路，其變壓器不易飽和，同時驅動簡單，是大功率開關電源較為理想電路之一。
通過以上簡單原理介紹，我們就可以對開關電源的檢修有一定的幫助。現在我以圖1- 3為參考介紹一下開關電源的幾種簡單維修方法：
1、詢問法：根據工作人員在現場發現的開關電源的異常情況的敘述加以分析，從中分析開關電源的問題所在。例如，開關電源輸入功率較大時，每臺開關電源需要增加風冷或者水冷，一般開關電源為風冷，當風扇出現故障時，開關電源內部熱量劇增，出現異味，當溫度升至設定保護值時，開關電源停止工作，無電壓輸出，停機重啟一段時間后又重復出現故障。
此時我們可以通過檢查熱保護功率管散熱元件，看溫升情況，同時檢查冷卻風扇就可以找到問題的根源所在。反之如果電壓電流溫升正常應檢查溫控電阻及CW1525 溫控保護電路。
從上我們可以知道通過詢問現場工作人員開關電源的工作狀態，會給我們維修帶來許多珍貴信息，為維修帶來方便。
2、觀察法：通過觀察開關電源的每一個器件狀態是否正常，特別是功率型器件是否出現短路、燒爆、及開路狀況，我們可以根據不同異常點來分析判別故障點，從而判斷出開關電源損壞部位。例如圖1- 3 中T1、T2 出現燒爆，我們就可以直觀分析出雙功率MOSFET 燒壞。此時可以判別出有以下幾種原因燒壞此管。（1）：雙功率管自身性能變差。（2）：變壓器初級B1出現短路現象。（3）：RCD 緩沖保護電路損壞。（4）：過流短路保護電路損壞。雙功率管修復時除了檢查保護電路、變壓器外，還應該檢查雙管柵極驅動電路，因為燒壞雙功率管時短路電流較大，還可能造成其輸入電路的損壞，此時應檢查輸入整流浪涌保護電路是否完好。通過觀察可以迅速判斷開關電源損壞部分，為快速修復開關電源提供直觀修復方法。
3、測量對比法：通過檢測各點正常電壓加以比較就判別出故障部位。如開關電源無電壓輸出，此時各點測量輸入回路電壓、輔助電源。
當輔助電源無電壓輸出時，CW1525 驅動電路無法工作，開關電源無電壓輸出，應檢修輔助電源，當輔助電源正常，應檢查CW1525 驅動輸出電路， 可采用斷開驅動柵極方法辨別CW1525 驅動電路的好壞，同時采用分段測量方法檢查雙功率管是否開路，重點檢查CW1525 控制電路、熱保護電路、過壓保護電路等，以上幾種電路中只要有一種出現故障，均會出現無電壓輸出。又如輸入電壓正常，輕載工作正常，當測量時，加載電流達到實際輸出電流的80%時，輸出電壓正常無下降狀況，開關電源突然關斷，無電壓輸出，減載開機輸出電壓正常。對此可判別出是因短路過載取樣電路電壓出現故障。正常情況下，一般取樣分流電阻增大，使互感器經二極管D1、D2 兩端電壓升高， 短路保護提前動作所致。合理調整D1、D2 兩端分流電阻R3 阻值就達到修復此故障的目的。
通過以上幾種處理故障維修方法在實際中的運用，就完全可以提高自己對開關電源原理的理解，從而在加深原理理解后，運用原理去指導發現、處理故障的新方法，以提高自己的業務水平。
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四、電視臺發射機電源應滿足的技術指標
1、電視臺發射機功率一般都比較大，少則幾KW,多則幾十KW,選擇開關電源時，應首先考慮其運行的可靠性，常采用多臺并聯均流供電方式。要求開關電源的并聯均流不平衡度≤±3%,電視臺用發射機是變量負載，所以選擇開關電源時應選用瞬變負載能力較強的開關電源。
2、開關電源在工作中會產生高次諧波、紋波系數，它們必須滿足臺用發射機的技術要求，否則會影響發射機的發射性能。單臺機器的紋波系數應<50mv,對諧波干擾要求必須滿足歐美EN55022B、U1950 及我國3C 認證標準。
3、為適應節能環保技術要求，應選用功率因數>0 . 98 ,工作效率>90%的開關電源。
4、單臺開關電源負載功率密度≥0.28W/cm3.
5、單臺開關電源輸出最大功率時，疊加在直流電壓上的紋波電壓的峰峰值應<50mV.
6、開關電源在空載開機時，輸出會產生超過額定電壓值的瞬時過沖，此過沖值應<1V.
7、電源模塊的負載從滿載（指最大輸出電流Io=100A）突然跌落到空載（或接近空載）成為重減載，此時輸出會產生超出額定電壓值的瞬時過沖，此過沖值應<1V.
8、電源儲存的環境溫度為- 50℃ ~+65℃ ; 電源工作的環境溫度為- 40℃ ~+55℃。?
五、結束語。
合理選擇電路技術參數，可以滿足現代化電視臺發射機電源的功率因數、效率、體積、重量等性能要求。良好的開關電源可使電源在惡劣環境下正常工作。雙晶體管正激變換器中，控制電路采用電壓、電流雙閉環反饋電路，使電源的動態性能優越，可自動限制輸出電流，從而實現過流保護，又能在負載突變的情況下實現輸出電壓的穩定，確保發射機安全可靠運行。
