全固态电视发射机中的高性能开关电源设计

      为了建设低碳可持续型社会，人们对环保节能低耗绿色能源提出了更高的要求。随着各种功率开关元件的研制、应用，随着各种类型专用集成电路、磁性元件、高频电容研制成功，应用功率电子学技术理论研究不断深化，功率变换器拓扑及其对偶理论日益完善。如今开关电源的工作频率从20KHz 提高到500KHz 甚至到1MHz ,功率也从最初的几瓦、几十瓦提高到了几千瓦、几十千瓦甚至更高，效率可以达到90%以上。完全适应当今高效率、小型轻型化、低功耗的技术要求，从而取代了笨重的工频变压器。在现阶段各种输入输出设备有90%以上都采用开关电源方式供电，只有少数音响功放为了追求更高的音质而采用环形变压器供电方式。开关电源是实现绿色能源的重要手段，也是今后相当长一段时间绿色能源发展方向。

　　全固态发射机，除了信号指标的提升外，体小量轻、高效低耗、积木式结构维护简单是它的显着优点，其供电方式采用六只26V/100A 开关电源分别为六路末级功放供电。开关电源是整个发射系统的能量保障，本文介绍开关电源分类、工作原理、优缺点以及维修方法等。

　　一、开关电源按照控制原理可以分为四类

　　1、脉冲宽度调制（简称PWM、即脉宽调制）式：工作方式为开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压的目的。

　　2、脉冲频率调制（简称PFM, 即脉频调制）式：工作方式为脉冲宽度为恒定，通过调节开关频率来改变占空比。

　　3、脉冲密度调制（简称PDM,即调密制）式：其特点工作方式是脉冲宽度为恒定，通过调节脉冲数实现稳压的目的。这种调制方式需采用零电压技术，能显着降低功率开关管的功耗。

　　4、混合调制式（即脉冲宽度调制和脉冲频率调制两种方式相结合）开关周期和脉冲宽度都不固定，均可调节。

　　以上四种方式统称为"时间比率调制"（即TRC 方式）。其中脉冲宽度调制方式技术最为成熟，应用也最为广泛。如早期产品CW1525A、1527A, 近期产品T494、UC3842 等均为脉冲宽度调制。

　　二、开关电源的工作原理及其性能

　　以上四种调制方式以脉冲调宽开关电源在实际应用中最为广泛。基本构成如图1- 1 所示，主要由以下6 部分组成。

 

　　接入交流电网（50Hz ,220V AC 或者115VAC）经EMI 防电磁干扰电源线滤波器，直接整流滤波变成直流，再经变换器将直流电压（275V 或172V） 变换为数十KHz 或数百KHz的高频方波或准方波电压控制功率开关管，经高频率变压器隔离、降压（或升压），再经高频整流滤波后输出直流电压，经取样、比较、放大控制PWM 调制器驱动功率开关管的占空比。从而可以得到稳定的输出电压。

　　通过以上介绍我们基本了解了开关电源的分类及其脉冲宽度调制类型的基本构成。但在实际运用中，PWM 制式开关电源有两种控制类型，一种是电压控制方式，一种是电流控制方式。电流控制方式开关电源是在电压控制环路基础上又增加电流控制环路。基本原理如图1- 2（a , b）所示：

 

　　通过接入源极， 反馈电阻Rs 去控制电流检测比较器。Us 为电流检测电阻压降， 此时PWM 比较器为电流检测比较器。电流控制型通过检测电阻来检测电流，并且可逐个周期的限制电流，便于实现过流保护。固定频率的时钟脉冲将PWM 锁存器置位，从Q 端输出的驱动信号为高电平，使功率开关管VT 导通，高频变压器一侧电流线性地增大。当电流检测电阻Rs 上的压降达到并超过Us 时，电流检测比较器翻转，输出的高电平将锁存器复位。从Q端输出的驱动信号变为低电平，令开关管关断直到下一个时钟脉冲使PWM 所存器置位。电流控制型开关电源具有以下优点：

　　（1）它属于双闭环控制系统，外环由电压反馈电路构成，内环由电流反馈组成，并且电流反馈电路受电压反馈的控制。与纯电压反馈电路相比，电流反馈电路的增益带宽更大。

　　（2）对输入电压瞬时变化的响应速度快，当输入电压发生变化时能迅速调整输出电压以达到稳定值。这是因为输入电压的变化会导致高频变压器一侧电感电流发生变化，进而使Us 改变，无须经过误差放大器，直接通过电流检测比较器就能改变输出脉冲的占空比。

　　（3） 电压控制环和电流控制环双重控制下，可提高电压调节技术指标。简化误差放大器补偿网络的设计。

　　（4） 只要电流保护设定阀值，PWM 电流比较器就会动作，使功率开关管关断，维持输出电压稳定。电流控制型本身带有限电流保护，只需改变Rs 值，即可精确设定限电流阀值。

　　此电流控制型电路也存在许多不足的地方：如电路较电压控制型复杂，给电路问题分析带来了困难。当占空比超过50%时，高频变压器一侧电感工作在连续储能模式，开关电流信号的上升斜率较小，可能造成控制电路工作不稳定，需加斜率补偿。对噪声抑制能力较差，只要在电流信号上叠加较小噪声，就容易导致PWM 控制器误动作，需增加噪声抑制电路等。

        三、固态发射机中开关电源原理及维修

　　以上是开关电源基本原理和控制方式的介绍，结合我们实际工作中固态发射机开关电源控制方式以及理论理解，使我对大功率开关电源原理、整体控制方式有了进一步的认识。现以5kW- 14CH 大功率合放式全固态电视发射机直流26V/100A 正激开关电源变换器的工作原理和维修方法来简单介绍一下，如图1- 3 所示：

 

　　输入电压220V AC 经过输入防电磁干扰滤波器，经过整流电路、开机浪涌电流启动保护电路和滤波电路，产生280V 左右的直流电压，供给变换器单元。控制单元包括电压、电流比较放大器，PWM 比较器，辅助电源等，它控制一个双晶体管正激变换器，从而达到稳定输出电压目的，经变压器耦合向负载传输能量。

　　对于大功率输出开关电源变换器，常用还有全桥变换器、半桥变换器等。双晶体管正激变换器也是一种单端变换电路，它不像半桥、全桥变换器等双端电路，其变压器不易饱和，同时驱动简单，是大功率开关电源较为理想电路之一。

　　通过以上简单原理介绍，我们就可以对开关电源的检修有一定的帮助。现在我以图1- 3为参考介绍一下开关电源的几种简单维修方法：

　　1、询问法：根据工作人员在现场发现的开关电源的异常情况的叙述加以分析，从中分析开关电源的问题所在。例如，开关电源输入功率较大时，每台开关电源需要增加风冷或者水冷，一般开关电源为风冷，当风扇出现故障时，开关电源内部热量剧增，出现异味，当温度升至设定保护值时，开关电源停止工作，无电压输出，停机重启一段时间后又重复出现故障。

　　此时我们可以通过检查热保护功率管散热元件，看温升情况，同时检查冷却风扇就可以找到问题的根源所在。反之如果电压电流温升正常应检查温控电阻及CW1525 温控保护电路。

　　从上我们可以知道通过询问现场工作人员开关电源的工作状态，会给我们维修带来许多珍贵信息，为维修带来方便。

　　2、观察法：通过观察开关电源的每一个器件状态是否正常，特别是功率型器件是否出现短路、烧爆、及开路状况，我们可以根据不同异常点来分析判别故障点，从而判断出开关电源损坏部位。例如图1- 3 中T1、T2 出现烧爆，我们就可以直观分析出双功率MOSFET 烧坏。此时可以判别出有以下几种原因烧坏此管。（1）：双功率管自身性能变差。（2）：变压器初级B1出现短路现象。（3）：RCD 缓冲保护电路损坏。（4）：过流短路保护电路损坏。双功率管修复时除了检查保护电路、变压器外，还应该检查双管栅极驱动电路，因为烧坏双功率管时短路电流较大，还可能造成其输入电路的损坏，此时应检查输入整流浪涌保护电路是否完好。通过观察可以迅速判断开关电源损坏部分，为快速修复开关电源提供直观修复方法。

　　3、测量对比法：通过检测各点正常电压加以比较就判别出故障部位。如开关电源无电压输出，此时各点测量输入回路电压、辅助电源。

　　当辅助电源无电压输出时，CW1525 驱动电路无法工作，开关电源无电压输出，应检修辅助电源，当辅助电源正常，应检查CW1525 驱动输出电路， 可采用断开驱动栅极方法辨别CW1525 驱动电路的好坏，同时采用分段测量方法检查双功率管是否开路，重点检查CW1525 控制电路、热保护电路、过压保护电路等，以上几种电路中只要有一种出现故障，均会出现无电压输出。又如输入电压正常，轻载工作正常，当测量时，加载电流达到实际输出电流的80%时，输出电压正常无下降状况，开关电源突然关断，无电压输出，减载开机输出电压正常。对此可判别出是因短路过载取样电路电压出现故障。正常情况下，一般取样分流电阻增大，使互感器经二极管D1、D2 两端电压升高， 短路保护提前动作所致。合理调整D1、D2 两端分流电阻R3 阻值就达到修复此故障的目的。

　　通过以上几种处理故障维修方法在实际中的运用，就完全可以提高自己对开关电源原理的理解，从而在加深原理理解后，运用原理去指导发现、处理故障的新方法，以提高自己的业务水平。

　　四、电视台发射机电源应满足的技术指标

　　1、电视台发射机功率一般都比较大，少则几KW,多则几十KW,选择开关电源时，应首先考虑其运行的可靠性，常采用多台并联均流供电方式。要求开关电源的并联均流不平衡度≤±3%,电视台用发射机是变量负载，所以选择开关电源时应选用瞬变负载能力较强的开关电源。

　　2、开关电源在工作中会产生高次谐波、纹波系数，它们必须满足台用发射机的技术要求，否则会影响发射机的发射性能。单台机器的纹波系数应<50mv,对谐波干扰要求必须满足欧美EN55022B、U1950 及我国3C 认证标准。

　　3、为适应节能环保技术要求，应选用功率因数>0 . 98 ,工作效率>90%的开关电源。

　　4、单台开关电源负载功率密度≥0.28W/cm3.

　　5、单台开关电源输出最大功率时，叠加在直流电压上的纹波电压的峰峰值应<50mV.

　　6、开关电源在空载开机时，输出会产生超过额定电压值的瞬时过冲，此过冲值应<1V.

　　7、电源模块的负载从满载（指最大输出电流Io=100A）突然跌落到空载（或接近空载）成为重减载，此时输出会产生超出额定电压值的瞬时过冲，此过冲值应<1V.

　　8、电源储存的环境温度为- 50℃ ~+65℃ ; 电源工作的环境温度为- 40℃ ~+55℃。?五、结束语。

　　合理选择电路技术参数，可以满足现代化电视台发射机电源的功率因数、效率、体积、重量等性能要求。良好的开关电源可使电源在恶劣环境下正常工作。双晶体管正激变换器中，控制电路采用电压、电流双闭环反馈电路，使电源的动态性能优越，可自动限制输出电流，从而实现过流保护，又能在负载突变的情况下实现输出电压的稳定，确保发射机安全可靠运行。