第2章 看图学修PDP彩电开关电源电路

开关电源电路是PDP彩电十分重要的电路组成部分，其主要作用是为彩电各部分电路提供不同的工作电压。如果开关电源性能不良，会造成电路工作不稳定、图像异常等故障。开关电源电路工作电压高、电流大，极易出现故障，因此，理解开关电源电路的工作原理和过程对日常维修具有重要意义。本章首先介绍PDP彩电开关电源电路的基本组成与基本电路，然后以TCL 42U6彩电、康佳PDP4218彩电为例，详细分析开关电源电路的工作原理及维修方法。

2.1 PDP彩电开关电源电路概述

2.1.1 开关电源的分类

开关电源电路的类型很多，而且可以按不同的方法来分类。

1．按开关控制器件的连接方式分

按开关控制器件的连接方式，开关电源可分为串联型和并联型。

（1）串联型开关电源

串联型开关电源结构示意图如图2-1所示。

串联型开关电源的开关控制器件和脉冲变压器串联在输入电路和负载之间。这种开关电源具有带负载能力强、开关管反峰电压低、元器件少等优点，缺点是不能多路输出整机所需的直流电压，而且串联型开关电源底板带电，不方便安装接口电路。因此，PDP彩电一般不采用串联型开关电源。

（2）并联型开关电源

PDP彩电采用的都是并联型开关电源，其结构示意图如图2-2所示。

并联型开关电源的开关器件与输入电压和输出电压并联，通过不同的脉冲变压器二次绕组抽头，产生几组不同的直流电压输出，以满足不同的电压要求。图2-2中的光耦合器有的电路采用，有的电路不采用。

并联型开关电源具有如下优点：

① 能向负载电路提供多组直流电压，这不但简化了行输出级电路，而且降低了行输出变压器的故障率。

② 由于开关变压器的一次侧和二次侧是完全隔离的，使整机电路与开关电源不共地，这不但提高了安全性，而且方便安装接口电路。

③ 稳压范围宽，只要略微改变一下开关脉冲的占空比，便能达到输出电压的稳定。

但是，并联型开关电源也存在不少缺点：

① 开关管截止时，c极承受的最高峰值电压为Ui+Uo；开关管饱和时二次侧整流管承受的最高峰值电压也为 Ui+Uo，所以对电源开关管及开关变压器二次侧所接的整流管的耐压要求较高。

② 负载发生短路时，开关变压器各绕组呈现低阻，这有可能导致开关管因开启损耗大而损坏。

③ 开关管饱和时开关变压器储存能量，开关管截止时开关变压器向负载释放能量，所以要求开关变压器的电感量要足够大，才能满足负载在一个周期内所需要的能量。

④ 在开关管饱和期间，开关管c极电流几乎是线性增长的，b极电流随着C的充电而逐渐下降。为了保证截止前瞬间仍能饱和，正反馈脉冲电压必须达到规定值，否则在开关管饱和后期，开关管会因激励不足而损坏。

由于存在以上缺点，并联型开关电源除了由启动电路、振荡电路、误差取样放大电路和脉宽调节电路组成的常规电路外，为了保证开关电源和负载电路可靠地工作，还设置了许多附属电路。例如，为防止开关管因开启损耗大或关断损耗大而损坏，设置了开关管恒流激励电路；为防止负载短路使开关管因过电流损坏，设置开关管过电流保护电路；为防止开关管和负载元器件因过电压损坏，设置了过电压保护电路；为防止开关管因二次击穿损坏，设置了尖峰吸收电路；为防止市电过低，使开关管因开启损耗大而损坏，设置了欠电压保护电路。这些附属电路的加入使电源电路工作的安全性及可靠性大大提高，但同时也使电路的结构更加复杂，元器件数量大大增多，从而导致维修难度加大。

2．按激励脉冲产生方式分

不管何种开关电源，开关管必须工作在开关状态，所以开关管基极所加的激励电压是脉冲电压，按激励脉冲的产生分类，有自激式和他激式两种。

（1）自激式开关电源

自激式开关电源利用电源电路中的开关管、高频开关变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，使开关稳压电源有直流电压输出。由于自激式开关电源的开关管兼振荡管，不专设振荡器，也无专门的振荡启动电路，电路较简单。

（2）他激式开关电源

他激式开关电源电路的开关管不参与激励脉冲的振荡过程，必须附加振荡启动电路和振荡器，振荡器产生开关脉冲，来控制电源中开关管的导通与载止，让电源电路开关工作而有直流输出电压。他激励脉冲的振荡电路产生，可用分立元器件，也可用集成电路。由于采用分立元器件的振荡器，电路比较复杂，因此一般都采用集成电路，整体电路比较简洁，而且功能较强，能够完成振荡、自动稳压、过电流、过电压保护等功能。相对于自激式开关电源，他激式开关电源电路较复杂。

不管采用何种激励方式，都要有足够的驱动功率。例如，在开关管饱和期间，要求有足够大的基极电流，以维持开关管的饱和导通，这时基极电流应满足 Ib>Icp/ β（Icp为开关管集电极的峰值电流）的条件，否则开关管就会因激励不足而不能完全饱和，压降增大，功耗增大，开关管过热，容易造成损坏；而在开关管由饱和变为截止时，基极必须加反向电压，形成足够的基极反向抽出电流，使开关管急剧地截止，以缩短开关管截止转换时间，减小其关断损耗。

3．按稳压控制方式分

一般开关电源都要经过稳压措施来保证开关电源输出端电压的稳定，否则当市电电压或负载电流发生变化时，将导致输出端电压发生变化，稳压控制电路最终是通过控制开关管的导通时间来实现稳压控制的。按开稳压控制方式分，开关电源可分为脉冲调宽式、脉冲调频式、脉冲调频调宽式三种。

通过计算可以得出输出电压Uo的计算公式为

由公式可知，改变 Ton或T，就可以控制输出直流电压的大小。若只改变 Ton而保持 T不变，这种控制方法称为脉冲调宽式；若只改变T而保持Ton不变，称为脉冲调频式；若同时改变Ton和T，称为脉冲调频调宽式，在实际应用中，这种控制方式很少采用。

4．按软开关方式分

软开关技术是利用电容与电感谐振，使开关器件中的电流或电压按正弦波或近似正弦波的形式变化，当电流过零时，器件关断；当电压过零时，开关导通，以此实现开关损耗为零。根据谐振的类型可分为电流谐振型、电压谐振型、E类谐振型、准E类谐振型等。

5．按功率转换电路的形式分

开关电源的功率转换电路主要由开关管和高频开关变压器组成，它是实现变压、变频及完成输出电压调整的执行部件，是开关电源的核心。前面介绍的自激和他激两种激励方式，每种方式在驱动电路结构上又是多样的，自激振荡主要采用振铃式，他激振荡主要分为单端式（单管）、推挽式（双管）、全桥式（四管）和半桥式（双管）等。

2.1.2 并联型开关电源的基本工作原理

1．自激式并联开关电源

自激式并联开关电源主要分为单端式（分为正激式和反激式）、推挽式和桥式，其中，单端式应用最多，其基本电路如图2-3所示。

这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，其基本工作原理如下：

当接入电源后，R1给开关管V提供启动电流，使V开始导通，其集电极电流 Ic，在L1中线性增长，在L2中感应出使V基极为正，发射极为负的正反馈电压，使V很快饱和；与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，V基极电位逐渐变低，致使V退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使V基极为负、发射极为正的电压，使V迅速截止，这时二极管VD导通，高频开关变压器T初级绕组中的储能释放给负载；在V截止时，L2中没有感应电压，直流供电输入电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高V基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去；这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

自激式并联开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路，这种电路不仅适用于大功率电源，也适用于小功率电源。

2．他激式并联开关电源

他激式并联型开关电源分为单端反激式、单端正激式、推挽式、全桥式、半桥式等，下面简要进行说明。

（1）单端反激式

单端反激式开关电源基本电路如图2-4所示。

电路中所谓的单端是指高频开关变压器的磁仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管V导通时，开关变压器T一次绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD处于截止状态，在一次绕组中储存能量；当开关管V截止时，变压器T一次绕组中存储的能量通过二次绕组及VD整流和电容C滤波后向负载输出。

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20～100W，可以同时输出不同的电压，且电压调整比较方便，因此应用十分广泛。其主要缺点是输出的纹波电压稍大，开关管V承受的最大反向电压较高（是电路工作电压值的两倍）。

（2）单端正激式

单端正激式开关电源的基本电路如图2-5所示。

这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管V导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感L储存能量；当开关管V截止时，电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

由于这种电路在开关管V导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50～200W的功率。存在的主要问题是，电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，因此这种电路的实际应用较少。

（3）推挽式

推挽式开关电源的结构形式非常简单，如图2-6所示。

推挽驱动器只用到2只N沟道功率场效应管V1、V2，并将升压变压器T的中性抽头接于脉动直流电源。V1、V2交替工作，输出交流电压，由于两管共地，所以驱动控制电路简单。另外，由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。

推挽式开关电源输出功率较大，一般在100～500W。

对于推挽结构的驱动电路，要求脉动直流电源的变化范围要小，否则会使驱动电路的效率降低。另外需要注意的是，当V1和V2同时导通相当于变压器一次绕组短路，因此应避免这种情况发生。

（4）全桥式

全桥式开关电源有多种形式，图2-7所示是采用4只N沟道场效应管的全桥结构形式。

电路工作时，在PWM控制芯片的控制下，V1、V4同时导通，V2、V3同时导通，且V1、V4导通时，V2、V3截止，即V1、V4与V2、V3是交替导通的，使变压器的一次侧形成交流电压。改变开关脉冲的占空比，就可以改变V1、V4和V2、V3的导通与截止时间，从而改变变压器的储能，也就改变了输出的电压值。

需要注意的是，如果V1、V4与V2、V3的导通时间不对称，则变压器一次侧的交流电压中将含有直流分量，会在变压器二次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生。

图2-8所示是采用2只N沟道场效应管和2只P沟道场效应管的全桥驱动电路。

电路工作时，在PWM控制芯片的控制下，V4、V1同时导通，V2、V3同时导通，且V4、V1导通时，V2、V3截止，即V4、V1与V2、V3是交替导通的，使变压器的一次侧形成交流电压。

（5）半桥式

相比于全桥式开关电源，半桥式开关电源最大的好处是每个通道少用了两只MOS场效应管，如图2-9所示。但是，它需要更高变比的变压器，这会增加成本。

电路工作时，在PWM控制芯片的控制下，从 Vg1、Vg2端输出开关脉冲，控制V1与V2交替导通，使变压器的一次侧形成交流电压。改变开关脉冲的占空比，就可以改变V1、V2的导通与截止时间，从而改变变压器的储能，也就改变了输出的电压值。

2.1.3 PDP彩电开关电源单元电路介绍

PDP彩电的开关电源均采用并联式，主要由交流抗干扰电路、整流滤波电路、功率因数校正电路（部分PDP彩电有此电路）、启动电路、振荡器/开关器件、稳压电路（脉冲调制电路）、保护电路等几部分构成。

1．交流抗干扰电路

交流抗干扰电路的作用是滤除市电电网中的高频干扰，同时还可滤除开关电源产生的高频干扰，以免影响其他用电设备的正常工作。常用交流抗干扰电路如图2-10所示。

在图2-10（a）所示电路中，L1、L2是互感滤波器，C1～C4是高频滤波电容。由于L1、L2在交流电流通过时，其磁中因产生的磁通方向相反而抵消，所以电感量较小，而对于交流电输入回路与地之间的共模呈现较大的电感量，可对共模干扰有效的吸收。C1、C2用于滤除差模干扰。C3、C4组成共模滤波器，滤除共模干扰。

图2-10（b）所示电路仅为共模滤波电路。图2-10（c）、（d）所示电路中，除了未设置C3、C4组成的共模滤波器，其他功能与图（a）所示电路相同。

2．整流滤波电路

整流滤波电路的作用是将交流电转换成300V左右的直流电压。PDP彩电电源电路中通常采用桥式整流、电容滤波方式，此部分电路比较简单，这里不再进行介绍。

3．功率因数校正（PFC）电路

（1）功率因数校正电路的作用

长期以来，开关型电源都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC转换的。由于滤波电容的充、放电作用，其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值与其最大值（纹波峰值）相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC输入电压瞬时值高于滤波电容电压时，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输入电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通（导通角约为70°）。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2-11所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成分，会危害电网正常工作，使输电线上的损耗增加，功率因数较低，浪费电能。

为了提高功率因数，PDP彩电的开关电源一般采用功率因数校正电路。加入此部分电路后，可以不断调节输入电流波形，使其逼近正弦波，并与输入电网电压保持同相，可使功率因数大大提高，减小了电网负荷，提高了输出功率，并明显降低了开关电源对电网的污染。

（2）功率因数校正（PFC）电路的基本工作原理

功率因数校正（PFC）电路分为无源和有源两种。无源校正电路通常由大容量的电感、电容和工作于工频电源的整流器组成，电路较简单，但效率低，因此PDP彩电中一般不采用。有源校正电路一般由功率因数校正集成电路为核心组成，工作于高频开关状态，可以得到高于0.99的电路功率因数，并具有低损耗和高可靠等优点，输出不随输入电压波动变化，因此可获得高度稳定的输出电压，但有源PFC电路较复杂。在PDP彩电中，有源PFC电路应用比较广泛。

有源功率因数电路由一般由一片功率控制IC为核心构成，它被置于桥式整流器和一只高压输出电容之间，也称做有源PFC变换器。有源PFC变换器一般采用升压形式，主要是在输出功率一定时，有较小的输出电流，从而可减小输出电容的容量和体积，同时也可减小升压电感器件的绕组线径。有源PFC电路的基本结构与效果如图2-12所示。

4．启动电路和振荡器/开关器件

为了使开关器件（开关管）工作在饱和、截止的开关状态，必须有一个激励脉冲作用到开关管的基极，PDP彩电一般采用他激式电源，这个激励脉冲一般是由专门的振荡器产生。而振荡器的工作电压则由启动电路来提供。在开关管饱和期间，要求振荡电路能为开关管提供足够大的基极电流，否则，开关管会因开启损耗大而损坏；在开关管由饱和转向截止时，基极必须加反向电压，形成足够的基极反向抽出电流，使开关管迅速截止，减小关断损耗给开关管带来的危害。

5．稳压电路

为了使开关电源的输出电压不因市电电压、负载电流的变化而发生变化，必须通过稳压控制电路对开关管的导通时间进行控制，达到稳定输出电压的目的。稳压电路主要由误差取样电路和稳压控制电路构成。

（1）误差取样电路

PDP彩电的误差取样电路主要有直接取样和间接取样电路两种。

① 间接取样电路

间接取样电路的特点是在开关变压器上专设一个取样绕组，由于取样绕组和二次绕组采用紧耦合结构，所以，取样绕组被感应的脉冲电压的高低就间接地反映了输出电压的高低，因此，这种取样方式称为间接取样方式。这种方式的缺点是稳压瞬间响应差，当输出电压因市电电压等原因发生变化时，需经开关变压器的耦合才能反映到取样绕组，不但响应速度慢，而且不便于空载维修，维修时，一般应在主电源输出端接假负载。

② 直接取样电路

直接取样电路的取样电压直接取自开关电源的主电源输出端，通过光耦合器再反馈到电源电路的脉宽或频率调节电路。直接取样电路具有安全性能好、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点，在PDP彩电电源电路中得到了广泛的应用。

（2）稳压控制电路

稳压控制电路的主要作用是，在误差取样电路的作用下，通过控制开关管激励脉冲的宽度或周期，控制开关管导通时间的长短，使输出电压趋于稳定。

6．保护电路

开关电源电路的许多元器件都工作在大电压、大电流条件下，为了保证开关电源及负载电路的安全，开关电源设置了许多保护电路。

（1）尖峰吸收回路

由于开关变压器是感性器件，在开关管截止瞬间，其集电极上将产生尖峰极高的反峰值电压，容易导致开关管过电压损坏，为此，开关电源大都设置了图2-13所示的尖峰吸收回路。

在图2-13（a）所示电路中，开关管V截止瞬间，其集电极上产生的反峰值电压，经C1、R1构成充电回路，充电电流使尖峰电压被抑制在一定范围内，以免开关管被击穿，当C1充电结束后，C1通过开关变压器T的一次绕组、300V滤波电容、地、R1构成放电回路。因此，当R1取值小时，虽然利于尖峰电压的吸收，但增大了开关管的开启损耗，当R1取值大时，虽然降低了开关管的开高损耗，但降低了尖峰电压的吸收。

图2-13（b）所示的电路是针对图2-13（a）所示电路改进的，不但加装了二极管VD1，而且加大了R1的值，这样，由于VD1的内阻较小，利于尖峰电压的吸收，而R1的取值又较大，降低了开启损耗大对开关管V的影响。

图2-13（c）所示电路与图2-13（b）所示电路工作原理是一样的，吸收效果要更好一些。目前，PDP彩电的电源尖峰吸收回路基本上都采用了这种形式。

实际应用中的尖峰吸收回路是由钳位电路和吸收电路复合而成的。图2-14所示是钳位电路和吸收电路在开关电源应用时的不同效果。

（2）过电压保护

为避免因各种原因引起的输出电压升高，而造成负载电路的元器件损坏，一般都设置过电压保护电路。有的PDP彩电在输出电压和地之间并联晶闸管SCR，一旦电压取样电路检测到输出电压升高，就会触发晶闸管导通，起到过电压保护的功能；也可以在检测到输出电压升高时，直接控制开关管的振荡过程，使开关电源停止工作。

（3）过电流保护

为了保护开关管因负载短路或过重而使开关管过电流损坏，开关电源必须具有过电流保护功能。

最简单的过电流保护措施是在电路中串入熔断器，在电流过大时，熔断器熔断，从而起到保护的作用。另外，在整流电路中常接有限流电阻，一般采用功率很大的水泥电阻，阻值为几欧姆，能起一定的限流作用。另一种比较有效的方法是在开关调整管的发射极（对晶体管而言）或源极（对场效应管而言）串接一只过电流检测小电阻，一旦由某种原因引起饱和时的电流过大，则过电流检测电阻上的压降增大，从而触发保护电路，使开关管基极上的驱动脉冲消失或调整驱动脉冲的脉宽，使开关管的导通时间下降，达到过电流保护的目的。

（4）软启动电路

开关电源一般在开机瞬间，由于稳压电路还没有完全进入工作状态，开关管将处于失控状态，极易因关断损耗大或过激励而损坏。为此，一些PDP彩电的开关电源中设有软启动电路。其作用是在每次开机时，限制激励脉冲导通时间不至于过长，并使稳压电路迅速进入工作状态。有些电源控制芯片中集成有软启动电路，有些开关电源则在外部专设有软启动电路。

（5）欠电压保护电路

当市电压过低时，将引起激励脉冲幅度不足，导致开关管因开启损耗大而损坏，因此，有些开关电源设置了欠电压保护电路。需要说明的是，很多开关电源控制IC大都内含欠电压保护电路，因此，不需在外部单独设置。

开关电源还有其他保护电路，这里不再一一分析。

2.1.4 PDP彩电电源板电路的基本组成

PDP彩电的电源板电路十分复杂，令不少维修初学者望而生畏，其实，仔细分析就会发现并非“十分复杂”，而是由几个简单的开关电源组合而成，如图2-15所示。

从图2-15中可以看出，PDP彩电的电源电路主要由以下三部分电路组成。

（1）待机电源电路

待机电源电路是一个简单的开关电源，主要作用是为MCU提供工作时所需要的电压（一般为5V），并为其他几个开关电源提供启动电压。只要打开电源开关，待机电源就会工作，PDP彩电处于待机状态时，待机电源也应工作，否则，MCU将因失电将无法“唤醒”。

（2）PFC电路部分

PFC电路的主要作用是减少谐波对交流电网的污染，提高有用功率，减小无功功率消耗。此部分电路可有可无，不过，目前大部分PDP彩电电源板均设有。

（3）开关电源电路

开关电源电路一般由多个简单的开关电源组成，分别输出不同的电压，为PDP彩电显示屏驱动电路、逻辑控制电路和主板电路供电。

需要说明的是，不同的PDP彩电，其电源板电路虽然基本组成相同，但输出电压可能有较大差别。