中心議題：
- PDP屏專用電源的參數(shù)要求解讀
- PDP電源的工作時(shí)序分析
- PDP專用電源電路設(shè)計(jì)
解決方案：
- PFC電路的設(shè)計(jì)
- 開關(guān)變壓器電路設(shè)計(jì)
- 次級(jí)箝位ZVZCS電路設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用于多屏拼接等離子顯示系統(tǒng)的專用電源。該電源采用兩級(jí)變換，前級(jí)AC/DC變換采用Boost型有源功率因數(shù)校正電路，后級(jí)變換器對(duì)于不同的回路根據(jù)功率的大小分別采用全橋變換器和單端反激變換器。對(duì)傳統(tǒng)Boost型功率因數(shù)校正電路提出了一點(diǎn)改進(jìn)，有效抑制了傳統(tǒng)Boost型功率因數(shù)校正電路中大功率時(shí)開關(guān)管開通時(shí)二極管上瞬時(shí)大電流。后級(jí)變換器中主回路采用一種次級(jí)無源箝位ZVZCS全橋變換器，適宜大功率的輸出且有效降低了開關(guān)損耗。
0 引 言
等離子體顯示技術(shù)是利用氦、氖、氮等混合氣體在密閉空間加壓放電產(chǎn)生等離子體生成紫外線使熒光屏成像的技術(shù)。等離子顯示屏（Plasma Display Panel）作為平板顯示器的佼佼者，它的厚度只有普通顯像管電視的1/10,重量?jī)H為普通顯像管電視的1/6,觀看視角達(dá)到160°以上，畫面不受磁場(chǎng)影響，具有較高亮度和對(duì)比度。等離子顯示屏中，電源擔(dān)負(fù)著所有電路和顯示屏的供電。包括向驅(qū)動(dòng)電路提供維持電壓和掃描電壓，以及控制板、接口板等部件的+5V,+15V電壓。同時(shí)，電源還應(yīng)具有針對(duì)顯示屏故障的過壓過流保護(hù)功能，為了保護(hù)顯示屏和掃描電路，電源必須有嚴(yán)格的工作時(shí)序。所以對(duì)于等離子顯示屏而言，電源的設(shè)計(jì)是其中舉足輕重的一部分。
1 PDP屏專用電源的參數(shù)要求
PDP電源是一種具有保護(hù)功能的大功率電源。本設(shè)計(jì)電源用于一種由多塊顯示屏拼接而成的顯示系統(tǒng)中，每塊屏的大小為16英寸，整個(gè)屏幕由5×4塊屏組成。每塊屏的功率約為80 W,整個(gè)屏幕的功率約為1 600W.本設(shè)計(jì)的專用電源設(shè)計(jì)輸出負(fù)載要在2kW左右。專用電源的輸入電壓為85~260 V,頻率為50/60Hz.
等離子顯示屏有多種工作方式，這里不做贅述。本文中的顯示屏為三電極表面放電方式。其驅(qū)動(dòng)電壓比較復(fù)雜，顯示一幅畫面需要經(jīng)過3個(gè)時(shí)期：準(zhǔn)備期、尋址期、維持顯示期。準(zhǔn)備期負(fù)責(zé)擦除所有點(diǎn)的殘余壁電荷，尋址期負(fù)責(zé)在需要發(fā)光的點(diǎn)上積累壁電荷，到了維持期有壁電荷的點(diǎn)就會(huì)持續(xù)發(fā)光，形成一幅圖像。
但本文設(shè)計(jì)的電源只為顯示系統(tǒng)提供大功率180V高壓和+5V 邏輯電壓及+15V 驅(qū)動(dòng)電壓。顯示屏需要的其他高壓又每塊顯示屏的控制電路產(chǎn)生。表1為各種輸出電壓及負(fù)載能力表。
表1 輸出電壓和負(fù)載能力
控制電源與數(shù)字電路CPU 通過6針端子相連，如表2所示。
表2 接口端子
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2 PDP電源的工作時(shí)序
PDP電源在工作時(shí)，具有嚴(yán)格的開機(jī)時(shí)序和關(guān)機(jī)時(shí)序。當(dāng)插上整機(jī)電源插頭后，輸出待機(jī)電源VSB,同時(shí)交流信號(hào)檢測(cè)ACOK=1.此時(shí)按下開關(guān)。數(shù)字電路CPU向電源發(fā)出電源控制信號(hào)，使VRL =1,電源向各種邏輯電路、控制電路、保護(hù)電路提供+5V,+15V電源，然后將V5_ok置1.當(dāng)電源檢測(cè)信號(hào)V5_ok=1時(shí)，數(shù)字電路CPU向電源發(fā)出VS_on=1.PDP電源向顯示系統(tǒng)提供180V高壓。關(guān)機(jī)時(shí)，先關(guān)掉高壓電源，然后再關(guān)掉+5 V,+15 V 電壓。工作時(shí)序如圖2所示。
圖2 PDP電源時(shí)序圖
3 電源電路設(shè)計(jì)
交流輸入電壓經(jīng)過EMI濾波器和浪涌電流抑制電路后，送往待機(jī)電源和PFC電路，交流輸入經(jīng)過PFC電路后產(chǎn)生400V的直流電壓。其余的電路均基于此PFC電路的輸出。
3.1 PFC電路的設(shè)計(jì)
全橋整流加濾波電容的AC/DC變換電路由于只有整流橋輸出電壓高于電容電壓時(shí)才有電流給電容充電，導(dǎo)致輸入電流波形畸變嚴(yán)重，使功率因數(shù)降低。
為解決這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)中前級(jí)AC/DC變換采用Boost PFC變換器。該結(jié)構(gòu)電路具有輸出電流連續(xù)，電流波形畸變小，輸入電流脈動(dòng)小的特點(diǎn)。輸出電壓可以高于輸入電壓。輸入電壓范圍為交流85~260V,功率因數(shù)可達(dá)0.99.其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3所示。
圖3 典型Boost PCF電路結(jié)構(gòu)
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圖3中的二極管應(yīng)該采用超快回復(fù)二極管，但當(dāng)PFC電路功率較大時(shí)，二極管結(jié)溫升高會(huì)使得二極管反向恢復(fù)時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致開關(guān)管導(dǎo)通瞬時(shí)電流很大。為了解決這個(gè)問題，在二極管與開關(guān)管之間串聯(lián)了一個(gè)小電感。這個(gè)小電感可以有效的抑制由于二極管反向恢復(fù)時(shí)間變長(zhǎng)而導(dǎo)致的開關(guān)管導(dǎo)通瞬時(shí)大電流。
改進(jìn)的主電路PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了FA5502功率因數(shù)控制芯片，當(dāng)輸入電壓在85~260V之間變化時(shí)，輸出電壓可保持穩(wěn)定。FA5502采用推拉輸出級(jí)，輸出電流可達(dá)1A以上，因此輸出的固定頻率PWM 脈沖可直接驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET.
3.2 開關(guān)變壓器電路設(shè)計(jì)
PWM 技術(shù)是指在開關(guān)變換過程中通過改變開關(guān)時(shí)間的長(zhǎng)短來保證負(fù)載變化時(shí)負(fù)載上的電壓保持不變。
PWM 技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便獲得廣泛應(yīng)用，但是傳統(tǒng)的開關(guān)技術(shù)中，開關(guān)管的通斷控制與開關(guān)管上流過的電流和器件兩端的電壓無關(guān)，開關(guān)管的開通和關(guān)斷是在器件上的電壓和電流不為零的狀態(tài)下強(qiáng)迫進(jìn)行的，稱之為"硬開關(guān)".由于功率器件并不是理想的開關(guān)器件，器件開關(guān)時(shí)電壓和電流會(huì)有一個(gè)交疊區(qū)，產(chǎn)生開關(guān)損耗。當(dāng)器件工作頻率越高，開關(guān)損耗就會(huì)越嚴(yán)重。
為了解決開關(guān)損耗問題，必須保證開關(guān)管零電壓、零電流開關(guān)，同時(shí)由于本變壓器功率較大，所以采用次級(jí)無源箝位ZVZCS全橋變換器。變壓器副邊采用中央抽頭結(jié)構(gòu)，全波整流方式。高壓電源的電路圖如圖4所示。
圖4 次級(jí)無源箝位ZVZCS全橋變換器原理電路
該電路超前臂和傳統(tǒng)的移相控制ZVS-PWM 變換器一樣實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，由于輸出電感參與了超前橋臂的諧振，所以在原邊漏感很小的情況下也可以給超前橋臂開關(guān)管S1,S3并聯(lián)電容C1,C3來實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。
輔助電路在輸出濾波電感磁芯上加一個(gè)繞組，當(dāng)原邊向副邊傳送能量時(shí)，由增加的繞組經(jīng)輔助回路給箝位電容Ch充電。其后當(dāng)S1關(guān)斷，原邊電壓過零期間，Ch經(jīng)過二極管Dh放電，把電壓折射到原邊，通過箝位電容的放電，流經(jīng)變壓器原邊的電流下降到0,為滯后橋臂提供零電流開關(guān)條件。SW1~SW4為IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。各開關(guān)管的時(shí)序和整個(gè)電路的工作狀態(tài)如圖5所示。
圖5 次級(jí)無源箝位ZVZCS變換器工作波形圖
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3.3 關(guān)于次級(jí)箝位ZVZCS電路的幾點(diǎn)考慮
3.3.1 關(guān)于超前橋臂的零電壓開關(guān)條件分析
對(duì)于超前橋臂而言，只要與開關(guān)管并聯(lián)的電容足夠大就可以很好的保證開關(guān)管零電壓關(guān)斷。為了實(shí)現(xiàn)超前橋臂的零電壓開通，要求有足夠的能量來使超前橋臂的開關(guān)管外部并聯(lián)的電容充、放電，從而讓即將開通的開關(guān)管的反并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通。
為了獲得超前橋臂的零電壓開通，諧振時(shí)間和死區(qū)時(shí)間應(yīng)滿足：
為了保證有足夠的能量來使超前橋臂的開關(guān)管外部并聯(lián)的電容充、放電。則（3）式中：
即必須要保證超前橋臂關(guān)斷時(shí)：
雖然超前橋臂的開關(guān)管并聯(lián)電容越大，零電壓關(guān)斷效果越好，但是過大又限制了零電壓開關(guān)的負(fù)載范圍。所以Ceq選擇應(yīng)該在開關(guān)損耗和負(fù)載兩者之間折中。同時(shí)，減小K、VH,增大Llk都有利于零電壓的實(shí)現(xiàn)，但增大Llk有惡化副邊占空比的丟失。
3.3.2 關(guān)于滯后橋臂的零電流開關(guān)條件分析
要想保證滯后橋臂的零電流開關(guān)，要求在滯后橋臂關(guān)斷之前原邊電流下降到0.原邊電流的下降主要發(fā)生在次級(jí)箝位節(jié)段，所以在次級(jí)開始箝位時(shí)Ch中的能量要能夠使Llk上的儲(chǔ)能得到全部釋放。即：
此時(shí)原邊電流值為：
由式（6），式（7）式可得：
所以Ch的大小要滿足式（8），但Ch過大又增加了給Ch充電的環(huán)流，而且Ch要保證在原邊向副邊傳送能量結(jié)束之前充電結(jié)束。所以Ch應(yīng)該在保證零電流開關(guān)情況下盡可能小。
在滯后橋臂關(guān)斷之前，要保證ip能夠下降到0,則應(yīng)該滿足：
所以，增大VH有利于滯后橋臂零電流的實(shí)現(xiàn)，但是VH不能超過輸入電壓折算到副邊的值VIK,而且VH增大又不利于超前橋臂零電壓的實(shí)現(xiàn)。
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3.3.3 耦合輸出電感及輸出濾波電感與耦合電感的變比
要保證輔助電路的二極管Dc的軟開關(guān)，則Ch應(yīng)該在原邊向副邊傳送能量之前充電完成。
在Ch充電時(shí)Llks與Ch諧振，諧振頻率：
充電時(shí)間為半個(gè)諧振周期，在忽略原邊漏感的情況下，充電時(shí)間要小于2TSDmin,即：
所以，耦合電感的漏感Llks應(yīng)該滿足上式要求。但Llks增大又可以減少變壓器原邊電流、輸出電壓電流的紋波，所以Llks應(yīng)該在滿足上式的情況下盡量大。
箝位電容Ch的充電電壓值滿足如下關(guān)系式：
式中：m 為濾波電感與其耦合電感的變比。
為保證二極管Dh在非箝位是不導(dǎo)通，要求VH不能大于VI/K,則：
這種次級(jí)無源箝位ZVZCS全橋變換器，由于采用了零電壓和零電流軟開關(guān)有效的抑制了開關(guān)損耗，提高了變換效率。采用了全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以滿足大功率的需求。但這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，并且由于器件多，其可靠性也降低。對(duì)于本系統(tǒng)的待機(jī)電源和邏輯及控制電源功率比較小，可以采用單端反激式變換器，以降低成本。由于篇幅限制這里不再對(duì)單端反激變換器進(jìn)行分析。
4 結(jié) 語(yǔ)
等離子顯示器與其他顯示器相比，具有體積小，高亮度和高對(duì)比度的特點(diǎn)。但等離子顯示屏與其他顯示屏相比電壓驅(qū)動(dòng)比較復(fù)雜，所以對(duì)電源的要求比較高。
對(duì)于等離子顯示屏而言，電源是其中關(guān)鍵的一部分，要求輸出電壓高、輸出功率大、紋波系數(shù)小和噪聲低。本文所設(shè)計(jì)的PDP電源滿足了以上要求。
