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42-inch AC－PDP开关电源的分析与设计

http://www.dykf.com 2008/12/21 电源开发网

Abstract：　　In this paper, we introduce a design of power supply for AC-PDP. Then the sequence of output-starting，the design of PFC with MC34262 and the DC/DC converter is explained in the paper.

Keyword：AC-PDP, switching-mode power supply, PFC

1．前言

　　信息高速公路和高清晰度电视的发展，对显示技术和显示器件都提出了更高的要求。PDP（Plasma Display Panel）以其大屏幕，超薄结构，高质量画面成为现在显示器件的重要研究方向之一。而电源作为AC-PDP的重要组成部分，要求效率高、体积小、能够提供较大的瞬态输出功率，并且具有保护功能和不同输出电压按顺序启动的功能。

2．AC-PDP电源设计

2.1概述

　　常用的直流稳压电源按照工作原理的不同，分为线性稳压电源和开关稳压电源。两者相比较，线性稳压电源效率低，体积和重量大，而且瞬态响应慢，不能满足AC-PDP在显示动态图像时输出功率大幅度迅速变化的要求。而开关电源效率高，相同输出功率条件下体积小，重量轻，稳压范围宽，负载大幅度变化时，电源调整率好，输出灵活，可方便地多组输出，而且响应速度快[1]。因此AC-PDP中更适合采用开关电源。　　　　　　　　

　　传统的从220V交流电网通过非控整流获取直流电压，在电力电子技术及电子仪器仪表中获得了广泛的应用。但这种非控整流使得输入电流波形发生严重畸变，并呈脉冲状。这样，一方面对电网造成严重污染，干扰其它电子设备的正常工作；另一方面大大降低了输入电路的功率因数，如在中、大型非控整流设备中，输入电路的功率因数大致在0.5～0.7左右，有的甚至更低。因此，必须采取有效的技术措施来减少输入电流波形的畸变，提高输入电路的功率因数[2]。在设计中我们采用MOTOROLA的功率因数控制芯片MC34262来进行有源功率因数校正。根据42-inch AC-PDP电路系统的要求，必须考虑电源整体结构及尺寸大小，以及不同输出之间的相互隔离和电源不同输出电压的启动顺序。

图1.　PDP电源系统

　　图1所示即为所设计的AC-PDP电源电路的结构示意图。在电源开关闭合后，交流市电经过整流滤波、功率因数校正（PFC），首先启动DC/DC模块1，给接口电路、存储控制电路提供电源，为整个电路系统的工作做好准备，同时给其它DC/DC模块提供开启电压或PWM芯片电源电压。

　　DC/DC变换将380V转换为下列直流电压输出，分别给PDP接口电路、存储控制电路和驱动电路供电：

　　12V ：接口电路供电电压，最大输出电流2.5A，脉动幅值0.1V

　　5V(1)：存储控制电路供电电压，驱动电路中集成MOS管驱动器供电电压，A寻址电极驱动芯片逻辑块供电电压,最大输出电流4A，脉动幅值0.05A

　　200V：Y扫描电极供电电压，调压范围160V～240V，最大输出电流1.5A，脉动幅值0.5V

　　200V：X驱动电极供电电压，指标同上

　　17V ：集成MOS管驱动器输出端作供电电压，最大输出电流2.5A，脉动幅值0.1V

　　5V（2）：Y扫描电极驱动芯片逻辑块供电电压，最大输出电流0.3A，脉动幅值0.03A

　　90V ：Y扫描驱动芯片驱动块供电电压，调压范围60V～120V，最大输出电流0.08A，脉动幅值0.1V

　　-100V：Y扫描电极悬浮电压, 调压范围-60V～-120V，最大输出电流0.08A，脉动幅值0.3V

　　65V ：A寻址驱动电极驱动芯片驱动块供电电压，调压范围50V～90V，最大输出电流1.8A，脉动幅值0.3V

2.2 不同直流电压启动输出的时序设计

图2. X电极驱动示意图

　　如图2所示即为X电极驱动示意图。显然当200V加在T1的漏端时候，T1、T2管不可同时导通，那么由存储控制电路送来的信号in_1、in_2不能同时为高电平，而且集成MOS管驱动器M12处于工作状态，即+5V、+17V电源已经加在芯片上[3]。由此可见，必须满足以下条件才能启动电源的高压输出：

　　(1). 接口电路、存储控制电路已经开始工作，并将正确信号送入驱动电路；

　　(2). 驱动电路中芯片的低压电源建立。

　　Y电极驱动与X电极驱动示意图所示类似。不同的是X电极不需要驱动芯片，而Y电极驱动高压部分采用浮地，还要求Y驱动芯片的低压电源5V(2)先建立，高压电源90V才建立。

　　因此AC-PDP电源结构如前述图1所示，当220V交流市电输入后，PFC电路输出380V和15V，其中15V给DC/DC模块1和模块2的PWM控制芯片供电。

　　模块1中将380V变换成多路直流输出，直流电压5V（辅）输出给模块2作为启动控制电压。因此模块1输出建立后，模块2才开始工作。

　　模块1的直流电压17V输出给模块3后，产生直流电压5V（2）输出给模块3的65V/90V变换部分作为启动控制电压。因此当DC/DC模块2输出建立以及模块3的5V(2)输出建立后，65V/ 90V变换电路才开始工作，输出90V。

　　在设计中，利用5V电压来控制UC3845的3脚输入电压，使之下降到1.0V以下来实现DC/DC变换的启动。当5V没有建立时，待启动的DC/DC变换的PWM控制器没有输出，从而使得变换器不能工作。[4]这部分内容在下文2.4节详述。

2.3 有源功率因数（PFC）校正电路的设计

图3. 有源功率因数校正原理简图

　　图2所示即为我们采用MC34262芯片设计的功率因数校正电路的原理简图。

　　交流市电经过全波整流后的直流电压经R62、R71分压后，通过管脚3输入控制芯片内乘法器的一个输入端，而由管脚2监测的误差放大器输出电压加到乘法器另一个输入端。在较大动态范围内，乘法器的传输曲线为线性。乘法器输出电压控制电流取样比较器的门限电压，当管脚4的电压大于此门限电压时，VT9关闭，电感通过VD27释放能量。此门限电压近似与管脚3输入电压成正比，即与交流市电经过全波整流后的直流电压近似成正比关系。当电感中电流降为零时，VT9导通，此时电感L9开始储能。在VT9导通时电感电流等于VT9导通电流，VT9关断时电感电流等于VD27导通电流。电感电流如图4所示，其平均电流呈现与与市电电压同相位的正弦波。使得功率因数接近1。

图4. 电感电流和VT9栅极电压波形

　　根据输出电压电流要求，最大总输出功率为837W，留取余量，确定目标输出功率为900W，变换器效率η＝90％，在输入交流市电220Vac±20％条件下，计算电路元件参数。

　　峰值电感电流：

　　电感（取工作时开关周期为40us）

　　MC34262的管脚1（FB）是片内误差放大器的一个输入端，另一个输入端Vref约2.5V。

　　那么

　　因此选取R66＝1.6MΩ，R65＝10KΩ，R73为0～15KΩ的可调电阻。

　　当输入电网电压的范围为220Vac±20％时，令MC34262管脚4的电流取样电压VCS=1V且必须小于1.4V，此时：

　　取R74=0.062Ω/4W。

　　取电网最高输入时候MC34262管脚3（片内乘法器输入）电压VM为3V。由

　　取R3=12KΩ，则R5=15MΩ。

　　此外，在电路中加入补偿电容C58，RC滤波器R72、C65使得电路更可靠地工作。

2.4 DC/DC变换电路的设计

图5.电流控制型电路原理图

图6.　200V输出DC/DC变换电路原理图

　　在DC/DC变换中，我们采用UC3845作为PWM控制芯片。图1所示电源系统中，DC/DC模块3中的90V和-100V输出采用反激变换，DC/DC模块1的15V和5V输出分别采用三端稳压器件和稳压二极管来实现，DC/DC模块3的5V输出采用集成开关电源模块实现，其它变换则采用双管正激变换来实现。

　　UC3845是电流控制集成芯片，其工作原理如图5所示。它是在电压控制型电路的基础上增加了一个电流反馈环节，当管脚3输入的采样电压Vs大于Ve(Ve不超过1.0V)时，锁存器置零，VT截止。因此误差信号Ve实际上控制的是电感峰值电流。

　　图6所示为产生200V直流输出的电路图。虚线框内为DC/DC变换的控制部分。下面主要讨论过流保护电路和5V输入电压启动电路。

　　380V和15V电压输入后，如果5V启动电压未加，VT7射极电压5V，选取合适的R49、R56使得VT7射极到集电极的电流经过R56后，输入到MC3845的管脚3电压大于1.0V，这样VT3截止。DC/DC变换不工作。当5V电压加上后，通过光耦DA52使得VT7的集电极电流增加，MC3845管脚3电压输入电压低于1.0V，从而完成电路的启动。选取合适的R24、R29、R1、R60等元件，使得当输出电流超过所设定的最大电流Imax时，二极管VD16正端的电压（相对于GNDH，电压值为-Imax·R29）下降,VT5射极电压下降，从而流过R60的电流增大，DA8的一次侧电压下降，VT7的集电极电流减小，使得MC3845管脚3的输入电压超过1V，从而实现输出过流保护。
以上以200V直流输出的DC/DC变换为例讨论了过流保护电路和5V输入电压启动电路。其它DC/DC变换的这部分电路与此相同，电源电路其它部分设计可以参阅参考文献[1]和文献[2]以及UC3845器件说明书。

3　结果
　　
　　在满负载条件下测试，测得电源效率为81.5％，功率因数为0.993，直流输出电压：

　　200V：调节范围152V～254V，最大输出电流可达1.5A，脉动幅值0.3V

　　12V ：最大输出电流2.5A时，脉动幅值0.1V

　　5V(1)：存储控制电路供电电压，最大输出电流4时脉动幅值0.02A

　　17V ：最大输出电流2.5A时脉动幅值0.05V

　　5V(2)：最大输出电流0.3A，脉动幅值0.01A

　　90V ：调压范围55V～122V，最大输出电流0.08A时，脉动幅值0.1V

　　-100V：调压范围-58V～-127V，最大输出电流0.08A时，脉动幅值0.1V

　　65V ：A寻址驱动电极驱动芯片驱动块供电电压，调压范围51V～97V，最大输出电流1.8A时，脉动幅值0.1V。

　　启动时序设计正常，满足设计要求。

　　整机联调，图像效果令人满意，在PDP显示屏显示动态运动图像时能够提供足够的电流和稳定的电压，保证了图像的稳定显示。

参考文献

[1]. 何希才. 新型开关电源及其应用. 北京：人民邮电出版社，1996： 1～3

[2]. 张占松,蔡宣三.　开关稳压电源的原理与设计. 北京: 电子工业出版社，1999 ：273～292

[3]. 沈思宽. 彩色AC-PDP电路系统关键技术研究[D].
西安: 西安交通大学工程与科学研究院，2000.10 ：59～63.

[4]. Masafumi Nagaya. Display Unit. US 6,388,901 B2. Jan.27,1999
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作者：神兆旭 … 来源：《电源世界》点击数：

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