Материалы для скачивания:
Друзья всем привет.
Продолжаю цикл статей по устройству и ремонту ЖК телевизоров.
В этой статье мы разберем формирование силовых напряжений, на примере блока питания EAX64744201(v 1.3) ЖК ТВ LG 42LM660S.
Но, все по порядку.
Для того, чтобы разобраться с принципом работы "полумоста", желательно освежить в памяти устройство и принцип работы конденсатора в цепях переменного тока, а так же принцип работы емкостного делителя напряжения и последовательного колебательного контура.
На просторах интернета я случайно наткнулся на очень интересный и познавательный канал, где превосходно раскрыты не только данные темы, но и еще много важных моментов, которые необходимо знать начинающему электронщику. Канал ведет Дмитрий Забарило, а называется он ElectronicsClub.
Не подумайте, это ни в коем случае не коммерческая реклама, просто автор настолько доходчиво раскрывает данные темы, что я решил не "изобретать велосипед" и тем более не плагиатить, а просто поделиться ссылками на данный канал и на необходимые видеоматериалы. Друзья, настоятельно рекомендую начинающим электронщикам в свободное время просмотреть данный видеоматериал.
1. Настоятельно рекомендую
- КОМПАРАТОР в электронике. Самое понятное объяснение! (видеоролик с другого канала)
2. Необязательно, но очень познавательно.
Просмотр всего материала у меня занял более 3-х часов, но я считаю, что это время я не вычеркнул из своей жизни, а провел с пользой для своего самообразования. Как говорится в легендарном мультфильме - "лучше день потерять, зато за пол часа долететь" :-).
Итак начнем...
Устройство и принцип работы двухтактного полумостового преобразователя напряжения.
Наиболее часто при ремонте блоков питания ЖК ТВ я встречал два схемотехнических решения полумостового преобразователя напряжения:
- для коммутации ключевых транзисторов и стабилизации выходных напряжений используется контроллер с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)
- для коммутации ключевых транзисторов и стабилизации выходных напряжений используется контроллер с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ)
В рассматриваемом нами реальном блоке питания EAX64744201(v 1.3) ЖК ТВ LG 42LM660S используется контроллер с частотно-импульсной модуляцией. Это схемотехническое решение сложнее для понимания и первого знакомства с полумостовыми преобразователями, поэтому предлагаю для простоты понимания сначала рассмотреть принцип работы полумоста на основе контроллера с широтно-импульсной модуляцией (она тоже довольно часто встречается при ремонте блоков питания), а затем уже переходить к рассмотрению второго варианта.
Итак приступим ...
Для начала, давайте рассмотрим блок-схему полумостового преобразователя.
Что для нас здесь нового:
- ШИМ-контроллер двухканальный.
- в отличии от узла формирования дежурного напряжения, где для коммутации первичной обмотки используется встроенный в ШИМ-контроллер мосфет, здесь для коммутации первичной обмотки используются два внешних силовых мосфета, работающих в ключевом режиме. Это и не удивительно, ведь потребление тока в дежурном режиме нагрузкой небольшое. Здесь же преобразователь напряжения в рабочем режиме должен выдавать большие токи для питания нагрузки в рабочем режиме.
- Так же обратите внимание, как подключены ключевые мосфеты. Они подключены последовательно, и если мысленно провести линию от "+" к "-", то мы увидим, что они своими переходами Drain - Source "замыкают" "+" и "-" блока питания. (см. рис. ниже)
Такое включение двух мосфетов в блоке питания характерно для двухтактного полумостового преобразователя. Для нормальной работы, к "полумосту" предъявляют ряд требований:
- Транзисторы должны работать в ключевом режиме. Частичное открытие транзистора не допускается (транзистор моментально перегреется и выйдет из строя).
- Когда один транзистор открыт - второй гарантированно должен быть закрыт, иначе произойдет короткое замыкание в блоке питания. Такой пробой так же называют "сквозняком" (будет проходить сквозной ток от "+" блока питания к его "-"). Для выполнения этого требования, ШИМ-контроллер должен формировать задержку между импульсами управления затворами мосфетов. Эта задержка в технической литературе называется "dead-time" (мёртвое время). Задержка необходима для того, чтобы транзистор гарантированно успел закрыться, а на это нужно время, поскольку реальные ключи имеют конечное (ненулевое) время открытия\закрытия.
- Еще одно из требований, это исключение проблемы, связанной с тем, что все реальные элементы имеют некоторую, пусть и небольшую индуктивность, поэтому, при закрытии ключей возникают высокочастотные выбросы напряжения. Для решения этой проблемы, используют сверхбыстрые (Ultra Fast) "возвратные диоды", которые подключаются параллельно ключевым мосфетам. В нашей блок-схеме, ключевые мосфеты уже имеют встроенные диоды, которые и будут подавлять эти выбросы, поэтому, при моделировании полумоста в симуляторе ниже, я тоже внешние диоды ставить не буду. С требованиями разобрались, теперь давайте разберем общий принцип работы полумоста.
Общий принцип работы двухтактного полумостового преобразователя с широтно-импульсной модуляцией.
Друзья, давайте еще раз глянем на приведенную ниже блок-схему:
Пока на затворы транзисторов VT1, VT2 не поступают положительные импульсы, они закрыты. Напряжение в средней точке емкостного делителя С2, С3 составляет 155В (половина от питающего напряжения).
Существует одна проблема - открытие верхнего ключевого транзистора. Нам необходимо, чтобы ШИМ-контроллер выдавал управляющие импульсы не относительно "земли" (как для нижнего ключевого мосфета), а относительно
уровня напряжения, присутствующего на истоке ключа VT1. Этот уровень может изменяться в течении всего рабочего цикла приблизительно от 0В (нижний ключ открыт, верхний закрыт) до напряжения питания (нижний ключ закрыт, верхний открыт). Я решение этой проблемы буду описывать ниже в статье, когда будем разбирать работу реального блока питания. Пока что давайте условимся, что ШИМ-контроллер подает положительный отпирающий импульс на затвор ключа VT1, и ключ открывается.
Ток нижнего плеча (первый такт).
ШИМ контроллер формирует положительный открывающий импульс, который поступает на затвор мосфета VT2. Транзистор открывается, начинает протекать ток по цепи: "+" 310В, конденсатор С2, первичная обмотка трансформатора TV1, транзистор VT2, "земля".
На вторичной обмотке трансформатора будет индуцироваться вторичное напряжение. Ток будет протекать следующим образом: "+" вторичной обмотки TV1, сверхбыстрый диод VD2, дроссель L1, конденсатор С6, частично питая нагрузку (R1). Все это время ключ VT1 закрыт.
Ключ VT2 закрывается. ШИМ-контроллер, перед подачей открывающего импульса выдерживает паузу (dead-time). За это время VT2 полностью успевает закрыться. Нагрузка запитывается от конденсатора С6.
Ток верхнего плеча (второй такт).
При поступлении положительного открывающего импульса на транзистор VT1, ток будет протекать по следующей цепи: "+" 310В, транзистор VT1, первичная обмотка трансформатора TV1, конденсатор С3, "земля" (см. рис ниже):
Транзистор VT2 все это время будет закрыт.
На вторичной обмотке трансформатора индуцируется напряжение, противоположной полярности относительно предыдущего такта (см. рис. выше). Ток будет протекать по следующей цепи: "+" вторичной обмотки TV1, сверхбыстрый (Ultra Fast) диод VD1, дроссель L1, конденсатор С6, частично питая нагрузку (R1).
Из вышесказанного видно, что частота импульсов выходного напряжения со вторичной обмотки трансформатора TV1 будет в 2 раза выше частоты преобразования, так как ток через первичную обмотку трансформатора TV1, будет протекать в течении обоих тактов.
С общим принципом работы разобрались. Ну а теперь самое сложное, понять физические процессы, проходящие в цепи во время работы полумоста. Я очень долго "тормозил", когда в свое время разбирался в нюансах.
Нигде в интернете не мог найти доходчивое объяснение работы. Встречались материалы, где авторы рассказывали или только общий принцип работы, или на "языке высшего разума" с выкладыванием каких-то формул с расчетами, которые нужны разработчикам и конструкторам блоков питания. В итоге плюнул на это дело и стал разбираться на реальном блоке питания, тыкая осциллографом в интересующие меня участки цепи реального блока питания.
Постараюсь рассказать все "человечьим языком", поэтому просьба к более опытным коллегам, если где-то ошибусь, поправьте пожалуйста.
Итак поехали ...
Сложность понимания данной темы, по крайней мере для меня, заключается в том, что первичная обмотка трансформатора подключена между средней точкой емкостного делителя и средней точкой (исток VT1, сток VT2) ключевых мосфетов, а не между "+" 310В и "Drain" ключа, как в разбираемой мной ранее схеме в статье "002_03 Формирование Дежурного напряжения ЖК ТВ и напряжения питания APFC".
Таким образом, нужно понять, что принцип работы первичной цепи полумоста основан на поочередной коммутации средней точки емкостного делителя (напряжение на нем 155В) через первичную обмотку TV1 сначала к "земле", потом к "+310В".
Без схемы и графиков может звучать непонятно, но это мы сейчас исправим.
Итак давайте взглянем на схему и временные диаграммы. Первые два графика - это управляющие импульсы ШИМ контроллера, поступающие на затворы VT2 и VT1, третий график - сигнал, который мы увидим на осциллографе (см. рис. выше).
Чтобы наглядней было, временные диаграммы я начну строить с момента, когда ШИМ контроллер отрабатывает задержку между управляющими импульсами (dead-time) и начало коммутации немного смещу по времени вправо:
Нижний график:
- напряжение на средней точке в режиме dead-time равно 155В
- на нижний ключ VT2 с ШИМ контроллера поступает открывающий импульс. Напряжение на средней точке "проседает" до 0В.
- ШИМ контроллер в режиме dead-time - напряжение в средней точке восстанавливается обратно до 155В.
- на верхний ключ VT1 с ШИМ контроллера поступает открывающий импульс. Напряжение на средней точке возрастает до 310В.
- ШИМ контроллер в режиме dead-time - напряжение в средней точке восстанавливается обратно до 155В.
После графиков и описания, надеюсь стало понятно, что я хотел сказать, по крайней мере я старался :-).
Кстати, стабилизация выходного напряжения осуществляется увеличением \ уменьшением ширины импульсов, но в пределах разумного, чтобы не получить "сквозняк", при чрезмерном увеличении ширины импульсов и ухода в зону dead-time.
Я в шапке статьи оставил ссылку на мультисимовский файл, где я быстренько составил схемку полумоста. С подбором параметров компонентов времени не было возиться, но общий принцип работы посмотреть на виртуальных приборах можно. При первом запуске симуляции, Multisim может выругаться, и в открывшемся окне предложить исправить тайминги моделирования в автоматическом режиме. Жмем Ок, дожидаемся исправлений и снова запускаем симуляцию.
У кого нет возможности поставить Multisim, ниже привожу скрины самой схемки и показания на виртуальных приборах.
График на осциллографе XSC1 (средняя точка транзисторов \ "земля"):
График на XSC5 (вторичные обмотки, до выпрямительных диодов D1 и D2:
График на XSC2 (после выпрямительных диодов D1 и D2):
Частота импульсов первичная \ вторичная цепи:
Фух... Вроде общую теорию всю описал. Теперь, дорогие друзья, предлагаю рассмотреть принцип работы полумоста резонансного типа с ЧИМ.
Общий принцип действия полумостового резонансного LC преобразователя с частотно-импульсной модуляцией.
Для начала, предлагаю рассмотреть общий принцип работы полумостового резонансного преобразователя и потом переходить к преобразователю, входящему в состав ИИП EAX64744201(v 1.3).
Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) - вид импульсной модуляции с двухуровневым выходным сигналом, при которой длительность выходных импульсов остается постоянной, а частота следования выходных импульсов изменяется по закону низкочастотного модулирующего сигнала.
В таких преобразователях стабилизация по напряжению осуществляется увеличением \ уменьшением частоты выходных коммутационных импульсов с контроллера, которые управляют открытием \ закрытием ключевых мосфетов.
Из принципа работы последовательного колебательного контура мы знаем, что если частота работы устройства совпадает с резонансной частотой колебательного контура - амплитуда выходного сигнала максимальная, но если рабочая частота устройства отклоняется в большую или меньшую сторону от резонансной частоты последовательного колебательного контура - амплитуда выходного сигнала резко падает.
Для разбора принципа действия резонансного преобразователя, нарисовал упрощенную блок-схему:
За коммутацию ключевых мосфетов отвечает контроллер с частотно-импульсной модуляцией. Он формирует управляющие импульсы положительной полярности, которые поступают на затворы ключей.
Конденсаторы С2 - С3 используются для согласования ключевых мосфетов, если они по техническим выходным параметрам немного отличаются друг от друга.
Первичная обмотка L1r трансформатора TV1 совместно с последовательно подключенным конденсатором Cr образуют последовательный колебательный контур, резонансная частота которого совпадает с рабочей частотой контроллера ЧИМ.
Принцип работы преобразователя аналогичен рассмотренному ранее преобразователю с ШИМ модуляцией (так же верхний вывод первичной обмотки трансформатора TV1 будет поочередно коммутироваться к "+310В" и "земле".
Ток верхнего плеча.
При открытии ключевого мосфета VT1 верхнего плеча, ток будет протекать по цепи - Транзистор VT1, первичная обмотка L1r трансформатора TV1, резонансный конденсатор Cr, "Земля". Резонансный конденсатор заряжается до величины сетевого напряжения (310В).
Ток нижнего плеча.
При открытии ключевого мосфета VT2 нижнего плеча, резонансный конденсатор Cr через первичную обмотку L1r трансформатора TV1 начнет разряжаться на "землю". Через первичную обмотку L1r будет протекать ток противоположной полярности, относительно первого такта.
Ток будет протекать по следующей цепи: конденсатор Cr, первичная обмотка трансформатора L1r, ключевой транзистор VT2, "земля".
Так как контроллер ЧИМ работает на частоте резонанса последовательного колебательного контура, КПД такого преобразователя будет очень велик, так как в схеме практически отсутствуют потери на активном сопротивлении. Основную работу здесь выполняют реактивные элементы схемы (резонансный конденсатор и первичная обмотка трансформатора). Потребление энергии от источника осуществляется только при заряде резонансного конденсатора, причем эта энергия "отдается" обратно в цепь, при разряде резонансного конденсатора (если преобразователь работает на "холостом ходу", без нагрузки). При подключении нагрузки, накопленная энергия в резонансном конденсаторе "перекачивается" во вторичную цепь.
Чтобы не быть "голословным", я набросал в Multisim простецкую схемку резонансного преобразователя. В ней конечно нет стабилизации по току и напряжению, но основные эпюры напряжений мы посмотреть сможем. Так же в "шапке" статьи я оставил ссылку для скачивания этого файла. У кого установлен Multisim, можно будет поиграться (н-р, изменить частоту коммутации управляющих импульсов)
Схема собранная в Multisim:
Эквивалент входного сетевого напряжения на схеме - источник постоянного напряжения "V_310". Генерацию управляющих импульсов, поступающих на затворы ключевых мосфетов Q1-Q2, на схеме осуществляют генераторы положительных прямоугольных импульсов Key1 - Key2 соответственно. Генераторы работают на частоте 500кГц. Соответственно для работы последовательного колебательного контура на резонансной частоте равной 500кГц - емкость резонансного конденсатора С4 должна быть равна 18нФ, а индуктивность первичной обмотки трансформатора T1 должна быть равна 5.629мкГн.
Осциллограммы напряжений.
На графиках видно, что при открытии ключевого мосфета верхнего плеча Q1, первичная обмотка трансформатора Т1 притягивается к "+" сетевого напряжения (V_310) (красный график). В это время происходит заряд резонансного конденсатора (зеленый график). Далее открывается ключевой мосфет нижнего плеча Q2. Первичная обмотка трансформатора Т1 притягивается к "земле". Накопленная энергия на резонансном конденсаторе отдается обратно в цепь.
На следующих графиках видно, в какой момент времени происходит потребление тока от сетевого источника питания:
Как мы видим, ток потребляется в момент заряда резонансного конденсатора С4.
Осциллограмма напряжения на первичной обмотке трансформатора Т1.
Ну вот, в принципе и весь общий принцип работы.
Друзья, предлагаю теперь перейти к рассмотрению формирования силовых напряжений реальным блоком питания ЖК ТВ.
Формирование силовых напряжений в блоке питания EAX64744201(v 1.3) ЖК ТВ LG 42LM660S.
Друзья, предлагаю внимательно рассмотреть участок схемы с полумостовым преобразователем напряжения импульсного блока питания EAX64744201, (участок, залитый красным цветом) :
Как видим, перед нами резонансный LC полумостовой преобразователь. Его общий принцип работы аналогичен с рассматриваемой ранее блок-схемой преобразователя.
Сразу бросается в глаза расположение на схеме 2-х ключевых мосфетов, которые своими переходами Drain-Source "замыкают" линию напряжения питания, приходящую с корректора мощности PFC на "землю". Если видим такое расположение 2-х мосфетов в "горячей" части блока питания, значит мы имеем дело с двухтактным полумостовым преобразователем напряжения.
Первичная обмотка (выводы 2-3) трансформатора Т101 так же выводом 2 подключена к средней точке транзисторов Q101, Q102. Выводом 3 обмотка соединяется с пленочным конденсатором С114, образуя тем самым последовательный колебательный контур.
Конденсаторы С118 - С119 используются для согласования ключевых мосфетов, если они по техническим выходным параметрам немного отличаются друг от друга. Так же за счет этих конденсаторов при первоначальном запуске будет присутствовать половина от сетевого напряжения (около 200В) на выводе 2 первичной обмотки трансформатора Т101.
Важным элементом преобразователя является контроллер с частотно-импульсной модуляцией L6599AD, который отвечает за коммутацию ключевых мосфетов Q101 и Q102, а также осуществляет стабилизацию по току и напряжению. Друзья, так как я дружу с английским языком через посредника (яндекс переводчика), мог что-то понять не совсем верно при переводе даташита, поэтому просьба к более опытным коллегам, в комментариях, если где-то ошибусь, поправьте пожалуйста меня. Я обязательно исправлю ошибки.
Контроллер L6599AD.
L6599AD - (улучшенная версия контроллера L6599) резонансный высоковольтный контроллер, с рабочей частотой до 500 кГц. Это двухконтурный контроллер специально разработанный для топологии полумоста с последовательным резонансным контуром. Контроллер генерирует управляющие импульсы со скважностью 50% и со сдвигом по фазе на 180 градусов, с постоянным для всего времени работы контроллера "мертвым временем" (dead-time). Регулирование выходного напряжения полумостового преобразователя контроллером, осуществляется путем сдвига рабочей частоты встроенного генератора, внешним модулирующим напряжением (н-р напряжением, которое формирует линия отрицательной обратной связи).
Основные возможности контроллера:
- Начальный плавный запуск полумостового преобразователя (CSS - Soft-Start).
- Энергосберегающий режим UVLO - энергосберегающий, а так же защитный режим работы контроллера, при котором встроенный генератор и встроенные драйвера управления ключевыми мосфетами полумоста выключены (контроллер переходит в "спящий режим").
- Мощные встроенные драйверы управления ключевыми мосфетами верхнего и нижнего плечей преобразователя.
- Встроенный бустерный диод (запатентованная технология) - обеспечивает "плавающую землю" относительно которой подаются управляющие импульсы на затвор мосфета верхнего плеча.
- Встроенный, программируемый внешней обвязкой, генератор частоты.
- Двухступенчатая защита от перегрузки по току (сдвиг относительно резонансной частоты преобразователя и принудительное отключение контроллера).
- Защита от пониженного сетевого напряжения (н-р когда PFC вышел из строя).
- Фиксированное "мертвое время" (dead-time).
Название выводов:
Наиболее важные параметры L6599AD
Максимально допустимое напряжение питания микросхемы: 16 В;
Пороговое напряжение, при котором контроллер переходит из режима ULVO в активное состояние : 10 … 11,4 В;
Пороговое напряжение, при котором контроллер переходит из активного состояние в режим UVLO : 7,45 … 8,85 В;
Опорное напряжение первого компаратора вывода ISEN
(защита от перегрузки) : 0,77 … 0,83 В;
Опорное напряжение второго компаратора вывода ISEN (защита от короткого замыкания): 1,45 … 1,55 В;
Опорное напряжение компаратора вывода LINE (защита от пониженного выходного напряжения: 1,2 … 1,28 В;
Мертвое время: 0,2 … 0,4 мкс;
Опорное напряжение вывода RFmin: 1,93 … 2,07 В;
Пороговое напряжение вывода STBY: 1,2 … 1,28 В;
Друзья, предлагаю рассмотреть наиболее важные элементы обвязки контроллера в процессе разбора его принципа работы.
Итак, приступим ...
При поступлении на блок питания управляющего сигнала "POWER_ON" с процессора материнской платы, формируется питающее напряжение (VCC).
Питающее напряжение VCC поступает одновременно на ШИМ контроллер корректора коэффициента мощности PFC и на рассматриваемый нами ЧИМ контроллер силовых напряжений L6599AD, в следствии чего, указанные контроллеры переходят в рабочий режим.
Работу узла формирования питающего напряжения VCC я разбирал в статье "002_03 Формирование Дежурного напряжения ЖК ТВ и напряжения питания APFC." (пункт "4. Формирование напряжения питания АККМ"), поэтому разбирать принцип его работы нет смысла. Приведу лишь его схему:
ШИМ контроллер переходит в рабочий режим.
Режим софт-старта.
Для перехода контроллера в рабочий режим, необходимо выполнение условия - на выводе 7 (LINE) должно присутствовать напряжение, формируемое резистивным делителем (R111, R127, R106-R103), которое "информирует" контроллер об исправности корректора коэффициента мощности (PFC). Оно должно быть выше 1.24В.
После этого контроллер в режиме софт-старта переходит в рабочий режим.
Режим софт-старта - предназначен для ограничения пускового тока преобразователя методом плавного увеличения выходного с преобразователя напряжения. Так как в резонансных преобразователях выходное напряжение зависит от частоты, на которой в данный момент работает преобразователь, контроллер начинает работу на частоте выше резонансной частоты последовательного колебательного контура и постепенно изменяет рабочую частоту, пока она не будет равна рабочей частоте (резонансной частоте колебательного контура).
Давайте для начала посмотрим на информацию, в даташите, а потом посмотрим, как организован режим софт-старта в нашем блоке питания.
Информация в даташите на контроллер:
На рисунке (справа) мы видим Амплитудно Частотную Характеристику (АЧХ) последовательного колебательного контура. На резонансной частоте (Resonance Frequency) амплитуда тока максимальная. При отклонении частоты от резонансной, амплитуда сигнала уменьшается по экспоненте (при небольшом отклонении от несущей частоты - резко уменьшается, при дальнейшем отклонении от несущей частоты, происходит плавное уменьшение амплитуды сигнала).
Initial frequency - начальная частота управляющих выходных импульсов. На этой частоте будет работать преобразователь, при подаче на него питающего напряжения. Далее рабочая частота контроллера начинает уменьшаться, пока не сравняется с резонансной частотой колебательного контура.
Время, за которое будет происходить такое изменение частоты, задается RC-цепью Rss-Css (см. рис. выше) и будет равняться "пять тау" (надеюсь начинающие мастера посмотрели рекомендованные мной видеоматериалы в начале статьи).
Технически это реализовано следующим образом. При подаче на контроллер питания, конденсатор Css начинает заряжаться, пока напряжение на нем не сравняется с опорным напряжением на выводе 4 ( RFmin ), которое равно 2В, после чего сработает линия обратной связи и протекание тока через RC-цепь прекратится.
Во время заряда конденсатора Css, контроллер изменяет частоту выходных управляющих импульсов по экспоненте (сначала частота переключения падает быстро ,и с течением времени заряда конденсатора Css, все медленней и медленней). Благодаря такой работе контроллера, не будет скачка напряжения, и, соответственно, будет плавное увеличение пускового тока.
Теперь давайте взглянем, как софт-старт реализован в нашем блоке питания.
Ну и, как всегда, спецы LG перемудрили (так я думал сначала).
Никакой RC-цепи на выводах 1 (CSS) - 4 (RF/MIN) мы не видим.
По факту мы имеем резистивный делитель R113 - R108, в параллель которому включен биполярный p-n-p транзистор Q103 с обвязкой.
Так как переход эмиттер-коллектор открыт, когда на базе, относительно эмиттера присутствует низкий уровень напряжения, и закрыт, когда на базе, относительно эмиттера присутствует высокий уровень напряжения, мы получаем "воображаемое переменное сопротивление", включенное параллельно резистивному делителю R113 - R108, сопротивление которого плавно изменяется от 0 до бесконечности, а "воображаемым ползунком переменного сопротивления" управляет RC-цепь R107-C102, подключенная к базе транзистора Q103.
В начале я сразу не понял, зачем такие трудности, пока не смоделировал этот участок схемы в Multisim. И получил интересный результат. При подаче на участок схемы напряжения, оно плавно возрастает, как на RC-цепочке, но при сбросе напряжения, напряжение резко уменьшается, в отличии от RC-цепочки, которая и заряжается и разряжается за время "пять тау".
По моему мнению, это сделано для более точного управления продолжительностью софт-старта и частотой встроенного опорного генератора, но могу и ошибаться, поэтому просьба к более опытным коллегам, если не прав - поправьте пожалуйста.
Как бы то ни было, ниже привожу результат моделирования в Multisim описанного выше участка схемы.
Схема в Multisim:
Графики напряжений. Постпроцессор:
Давайте разберем на схеме, как работает софт-старт в нашем преобразователе.
Для удобства, на рисунке выше, я совместил часть схемы нашего блока питания, отвечающей за режим софт-старта (слева), и часть блок-схемы из даташита на контроллер, которая отвечает за режим софт-старта (справа).
Итак, сначала блок-схема (справа).
При поступлении напряжения питания на микросхему, запускается опорный генератор VCO (Генератор Управляемый Напряжением (ГУН)).
В момент запуска, на инвертирующем входе компаратора ("-") будет напряжение меньше, чем на его не инвертирующем входе ("+"). В результате, выход компаратора будет притянут к "+" внутреннего источника питания. Этот выход управляет N-канальным мосфетом, следовательно мосфет будет "открыт" и через его переход drain-source будет протекать ток.
Этот ток поступает на RC-цепь (RFmin-Css). В результате конденсатор Css начнет плавно заряжаться и время заряда будет равно "пять тау". По мере заряда, плавно нарастающее напряжение с RC-цепи поступает на схему контроля логикой микросхемы, которая уменьшает частоту управляющих импульсов (изменяет величину напряжения, которое поступает на ГУН).
По мере заряда конденсатора Css, напряжение на инвертирующем входе компаратора ("-") плавно возрастает, и когда оно будет больше 2В, выход компаратора притянется к "земле", и управляемый этим выводом мосфет закроется. В это время Генератор Управляемый Напряжением (ГУН) будет уже работать на резонансной частоте последовательного колебательного контура.
Теперь схема нашего блока питания (слева).
Для удобства продублирую схему:
При подаче питания на контроллер, напряжение с вывода 4 RF/MIN будет поступать на резистивный делитель напряжения R113-R108. Так как величина сопротивления резистора R108 почти в 2 раза меньше R113, основной ток потечет через R108, далее через переход эмиттер-коллектор транзистора Q103 будет "сливаться на землю". Часть тока будет поступать на RC-цепь R107-C102, которая включена в базу транзистора Q103 и заряжать конденсатор С102, тем самым плавно закрывать транзистор Q103. Время закрытия транзистора будет равняться "пять тау". По мере закрытия транзистора Q103, напряжение на выводе 1 CSS (точка Т1) и выводе 4 RF/MIN будет плавно увеличиваться, и когда оно на выводе 4 RF/MIN будет больше 2 В, внутренний опорный генератор (ГУН) будет генерировать управляющие импульсы на резонансной частоте последовательного колебательного контура.
Фух... С первоначальным запуском и софт-стартом разобрались.
Теперь давайте разбираться с коммутацией последовательного колебательного контура ключевыми мосфетами и формированием выходных напряжений.
L6599AD. Формирование выходных напряжений.
Для начала, давайте рассмотрим, как происходит коммутация ключевых мосфетов.
Изначально, когда блок питания обесточен - все конденсаторы блока питания разряжены. При подаче на блок питания сетевого напряжения, заряжается сетевой конденсатор ("банка") до амплитудного значения (310 В). Это напряжение, минуя PFC, через "обходные диоды" поступает на блок дежурного напряжения (формируется дежурное напряжение), поступает на наш рассматриваемый блок формирования силовых напряжений и конденсаторы С118, С119, С114 заряжаются до указанных на схеме значений (см. рис. выше). После заряда конденсаторов, протекание тока через них прекращается.
При поступлении с материнской платы разрешающего сигнала POWER_ON, формируется питающее напряжение VCC, поступающее на PFC и на наш блок формирования силовых напряжений.
Контроллер начинает формировать управляющие импульсы, поступающие на затворы ключей Q101-Q102.
Есть один важный нюанс в работе полумостовых преобразователей (не важно с частотно или широтно-импульсной модуляцией) - в начале коммутации контроллером управляющих импульсов, первым всегда открывается ключевой мосфет "нижнего плеча". Это сделано для того, чтобы зарядился конденсатор (в нашем случае С110, подключенный между выводами 14-16 контроллера), напряжение которого используется для формирования открывающего импульса для транзистора "верхнего плеча".
Итак, контроллер на выводе 11 LVG (Low Voltage Gate) формирует управляющий импульс поступающий на затвор мосфета "нижнего плеча" и открывает его (см. рис. ниже):
Так как резонансный конденсатор С114 последовательного колебательного контура уже к этому времени был заряжен до половины сетевого напряжения (больше 155В, так как уже запустился PFC и сетевое напряжение возросло), он начинает через первичную обмотку трансформатора Т101, ключевой мосфет Q102 разряжаться на "землю".
Через первичную обмотку трансформатора начинает протекать ток, вследствие чего, трансформатор преобразует электрическую энергию в магнитную и на вторичных обмотках индуцируются вторичные напряжения.
В это же время заряжается конденсатор С110, подключенный между выводами 16 и 14 контроллера (см. рис. выше).
Далее контроллер выдерживает паузу (dead-time), для того, чтобы ключевой мосфет Q102 успел полностью закрыться, после чего, на выводе HVG (High Voltage Gate) формирует управляющий импульс поступающий на затвор мосфета "верхнего плеча" Q101 и открывает его (см. рис. ниже):
Управляющий импульс для открытия мосфета "верхнего плеча" Q101 формируется следующим образом:
- контроллер внутрисхемно замыкает между собой выводы 16 (VBOOT) и 15 (HVG)
- так как конденсатор С110 зарядился во время предыдущего такта, напряжение с него, относительно "плавающей земли" (выв. 14 (OUT)) начинает поступать на затвор мосфета "верхнего плеча" Q101
- транзистор открывается
После открытия мосфета "верхнего плеча", через первичную обмотку трансформатора Т101 будет протекать ток противоположной полярности, относительно первого такта по следующей цепи - "+" сетевого напряжения, транзистор Q101, первичная обмотка трансформатора, конденсатор С114, "земля". На вторичной обмотке трансформатора Т101 будут индуцироваться напряжения противоположной полярности, относительно первого такта.
Хотелось бы обратить внимание на работу элементов цепи, подключенных между затвором и истоком ключевых транзисторов (см. рис. ниже)
Так как затвор ключевого мосфета имеет некоторую емкость, то по сути, представляет из себя конденсатор. Например, если подать на затвор положительный открывающий импульс, и после этого разорвать цепь на затворе, то транзистор останется в открытом состоянии.
Для открытия N-канальных мосфетов, необходимо относительно истока, подать положительный импульс.
Для закрытия, необходимо притянуть затвор к истоку (простого разрыва цепи на затворе будет не достаточно).
По сути, элементы цепи R121, R122, D121 предназначены для того, чтобы мосфет открывался медленнее, а закрывался быстрее.
Открытие ключевого мосфета.
На выводе 11 (LVG) формируется положительный отпирающий импульс (см. рис. выше). На выводе 11 будет высокий потенциал, а на затворе мосфета низкий. Ток потечет на затвор через резистор R121, так как диод для протекающего тока в этом направлении будет закрыт.
Закрытие ключевого мосфета. (см. рис. ниже):
При закрытии ключевого мосфета, контроллер внутрисхемно притягивает вывод 11 (LVG) к "земле" (вывод 10 (GND)). Ток потечет по цепи как указано на рисунке выше. Так как сопротивление на резисторе R122 меньше чем на R121, основной ток будет протекать через R122, D121 и частично ток потечет через R121. Транзистор будет закрываться быстрее чем открывался.
С транзистором "верхнего плеча" будет происходить все тоже самое, единственное отличие - вывод 15 (HVG) будет притягиваться к выводу "плавающей земли" 14 (OUT)
С работой на стороне "горячей части" мы разобрались.
Вторичные напряжения трансформатора Т101.
На вторичных обмотках трансформатора формируются следующие напряжения:
- Питающее напряжение 12В
- Питающее напряжение 24В
- Напряжение питания светодиодной подсветки
Друзья, чтобы сократить итак огромную статью, рассматривать формирование напряжения подсветки я не буду, потому как это обычный повышающий преобразователь напряжения, работу которого мы уже рассматривали.
К сожалению, Яндекс Дзен не дает возможности авторам статей создавать якорные ссылки в статье на разделы статьи, поэтому могу лишь оставить ссылки на сами статьи, в которых мы рассматривали данную тему и название пункта в статье:
- 002_02 Power Factor Correction (PFC). Устройство и принцип действия. (ПУНКТ 2. Повышающий преобразователь.)
Предлагаю рассмотреть как формируются вторичные напряжения питания 12 В и 24 В.
Формирование 12 вольтного постоянного напряжения питания.
12 вольтная вторичная обмотка импульсного трансформатора T101 (выводы 5, 6, 7) имеет отвод в средней точке, который "посажен" на землю. Таким образом эту обмотку можно рассматривать как 2 обмотки с одинаковым кол-вом витков соединенных последовательно.
На этих обмотках относительно земли индуцируются импульсное напряжение, которое поступает на сверхбыстрые диодные сборки D254, D260.
Ток через эти диоды будет протекать следующим образом:
- Первичная обмотка трансформатора Т101 притянута к "земле".
Ток со вторичной обмотки будет протекать через диодную сборку D260.
- первичная обмотка трансформатора притянута к "+" сетевого питания.
На вторичной обмотке трансформатора Т101 будет индуцироваться напряжение противоположной полярности, относительно первого такта и ток потечет через диодную сборку D254 (см. рис. выше).
Далее однополярное импульсное напряжение поступает на сглаживающие конденсаторы и запитывает нагрузку.
Так же от 12 вольт запитывается драйвер подсветки. Давайте коротко затронем эту тему.
Цепь запуска питания подсветки.
N-P-N транзистор Q255 закрыт, так как на его базе низкий уровень напряжения. Р-N-P транзистор Q254 тоже закрыт, так как на его базе, относительно эмиттера присутствует высокий уровень напряжения, который через резистор R295 подтягивается от 12В рабочего источника питания. Для открытия n-p-n транзистора необходимо на базу, относительно эмиттера подать высокий уровень напряжения, а для открытия p-n-p транзистора наоборот, низкий (см. рис. ниже).
Таким образом, при поступлении на базу n-p-n транзистора Q255 разрешающего сигнала DCDC_ON величиной 3.5В от процессора с материнской платы - транзистор Q255 открывается, и притягивает к земле базу транзистора Q254, тем самым открывая его. Через переход эмиттер-коллектор транзистора Q254 питающее напряжение поступает на 7 вывод (VI) драйвера подсветки IC251 и переводит его в рабочий режим.
Стабилизация напряжения.
Стабилизация по напряжению осуществляется линией обратной связи.
Принцип ее работы я уже описывал в статье:
002_03 Формирование Дежурного напряжения ЖК ТВ и напряжения питания APFC (ПУНКТ: "Дежурка". Стабилизация по напряжению).
поэтому заново описывать принцип ее работы нет смысла.
Итак, давайте разберем в чем прелесть данного преобразователя.
Хоть схемотехническое решение и первоначальная настройка резонансного полумоста сложнее, зато все это компенсируется при правильной настройке рядом преимуществ:
- Так как первичная обмотка трансформатора Т101 совместно с конденсатором С114 образуют последовательный колебательный контур - КПД выше, чем у полумостов с широтно-импульсной модуляцией.
- При работе в резонансном режиме, запирание ключевых транзисторов будет происходить в моменты, когда величина тока через них будет близка к нулевому значению. За счет этого ключевые мосфеты практически не нагреваются, что положительно сказывается на надежности всего преобразователя в целом.
Приведу фото внешнего состояния ключевых мосфетов на нашем блоке питания:
Как видите, ключи себя довольно прекрасно чувствуют, судя по не потемневшему текстолиту платы. Самое прикольное, что они даже не нуждаются в радиаторе охлаждения, но это все при условии правильно подобранных компонентов и правильной первоначальной настройке резонансного контура.
Заключение.
На этом, дорогие друзья, я заканчиваю цикл статей по описанию принципа работы блока питания. Надеюсь материал получился максимально полезным для начинающих телемастеров, по крайней мере я очень старался, чтобы это было так.
Теперь буду создавать материал по программированию на языке python на новом канале, параллельно с прохождением курса от SkillBox. Как только начну размещать материал на нем, обязательно создам пост на этом канале и оставлю ссылку на канал.
Если понравилась статья - ставьте палец вверх :-).
Буду размещать только интересную информацию.
Всем Добра! Жму руку! С Уважением, Дмитрий.