专利名称：用于平板电视机的开关电源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电功率的开关变换和控制电路，尤其涉及用于平板电视机的开关型供电源。
背景技术：
以使用等离子(PDP)或液晶(LCD)显示屏为代表的平板电视机凭借高清晰度、宽屏、超薄等诸多优势正成为彩电消费的时尚潮流。随着平板电视机在数字化道路上的日益受重视，市场对适配平板电视机的专用电源也提出了较高的设计要求。
目前液晶电视机可用的电源包括内置开关电源，以及与电视机主机分离、通过电源缆线连接的外置式开关电源。所述外置式开关电源存在使用不便、整体效率低、发热严重、可靠性低等缺陷，同时因为还存在严重的安全隐患和线路干扰、较大的待机功耗等问题，难以达到德国的“Blue Angel”环境保护标准和北美的“Energy Star”节能认证要求。因此，研发人员为平板电视机(尤其包括大屏幕液晶电视机)设计了内置式开关电源。
《电子电力技术》第37卷2003年第4期的“等离子显示屏PDP电源的设计”就揭示了一款内置式开关电源的总体电路设计，对待机电源和功率因数校正(PFC)电路、寻址电源和逻辑电源的设计分别作了介绍。
上述设计的缺陷在于其一，未针对平板电视机薄化的显著特点进行有效设计，由于电视机薄化对开关电源宽度及高度的尺寸限制，容易造成电源效率低，损耗严重，在高达40-50℃的机内环境中可靠性差等问题。
其二，该设计的待机电源仅在于满足控制电路的基本需要，并没有充分考虑降低待机功耗，所选用的控制芯片STRG6153在工作时自身已有较大的功耗，而影响功耗的变压器T1也被提出具体要求。因此，该待机电路根本无法满足Blue Angel和Energy Star等规定要求。
其三，所述PFC电路仅是功能的实现，并没有在高功率因数、低谐波失真、本级高转换效率上有所考虑。根据该电路采用芯片MC33262(IC2)的电路图可以看出，它采用的是最简单的不连续导电模式(DCM)，这种模式的固有电流纹波较大，因此该电路具有较高的谐波失真，较强的辐射干扰和较低的转换效率。
实用新型内容 本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出一种用于平板电视机的开关电源，能充分考虑到整机的超薄化设计，并能适合平板电视机的节能和电磁兼容要求，具有低待机功耗和高转换效率。
为解决上述技术问题，本实用新型的基本构思为对开关电源中影响整体超薄设计主要部件的变压器进行专门设计；为了能在超薄设计中保证开关电源性能，选用具有低待机功耗的控制芯片，使待机电源与主电源彻底分开；并对使用该控制芯片的电路加以改进，或进一步设计无源无损软开关电路来提高开关电源的各指标参数。
作为实现本实用新型构思的技术方案是，提供一种用于平板电视机的开关电源装置，包括电源输入模块，待机电路，PFC电路，时序电路和主电源输出电路；当电源被接通经所述电源输入模块送往待机电路时，所述开关电源处于待机状态并向平板电视机提供待机供电；当所述平板电视机CPU接受开机指令而输出送往所述时序电路的控制信号，所述时序电路输出一信号控制所述PFC电路工作并输出一300～500伏电压范围的直流电源给所述主电源输出电路，所述主电源输出电路在所述时序电路的指令信号控制下，输出所述平板电视机各部分电路所需的工作电压；尤其是，所述主电源输出电路包括一采用环形磁芯或者可忽略气隙的C形磁芯绕制的变压器T2。
上述方案中，所述待机电路包括专用控制集成电路ICE2A180。
上述方案中，所述PFC电路包括一无源无损开关BOOST交换器，该变换器包括PFC主电感L7；与该主电感L7串联的附加电感L9；一包括D114、D115、C155、C161的附加电路；所述二极管D114的阳极接所述电感L7和L9的连接端，阴极接二极管D115的阳极；所述电容C155与C161并联，一端接所述二极管D114的阴极，另一端连接与所述电感L7串联的所述电感L9的另一端；一包括D132、C162、R253的附加电路，所述二极管D132的阳极接所述二极管D114的阳极，阴极通过所述电容C162接地，该阴极还通过电阻R253连接所述二极管D115的阴极；一漏极接所述二极管D114阳极、源极接地的开关管Q3，所述电容C155和电感L9的连接端通过二极管D113连接二极管D115的阴极和一电容E7的正端，当开关管Q3开通，电感L7、L9接到整流桥D103输出的+和-端，流经L4、L9的电流线性增加；当Q3关断，L4、L9连接于整流输出的+端和电容E7的正端，L4、L9中电流流向E7；由于Q3高频工作，E7电压被充到一预定电压值；一包括电阻R153的反馈回路通过连续检测所述E7上的电压来相应调节Q3的开通时间，使所述E7直流电压保持所述预定值。
上述方案中，所述PFC电路还包括一大功率开关驱动电路，该开关驱动电路包括一npn型晶体三极管Q1和一pnp型晶体三极管Q2，二者的基极相连，一电容E9的正极连接所述三极管Q1的集电极，电阻R146与R148的串联支路一端接所述三极管Q1的发射极、另一端接所述三极管Q2的发射极；所述三极管Q2的集电极接地；所述电阻R146与R148的连接端还连接一电阻R149的一端，该电阻R149用来连接所述开关管Q3的栅极和源极，以向所述开关管Q3提供“开通-关断”信号。该开关驱动电路连接在驱动芯片IC1和所述开关管Q3之间。
采用上述技术方案，均可以使开关电源的设计超薄化，适应全范围交流电源输入，并具有低待机功耗和高转换效率的优点。
图1是本实用新型开关电源结构的示意框图图2是待机电路的原理框图图3是待机电路和PFC电路的电原理图图4是主电源输出和过流、过压保护电路原理图图5是过流、过压保护电路的原理框图图6是变压器T2的外形示意图具体实施方式
下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本实用新型。
如图1所示，本实用新型开关电源包括电源输入模块1，待机电路4，PFC电路2，时序电路3和主电源输出电路5；当电源被接通经所述电源输入模块1送往待机电路时，所述开关电源处于待机状态并向平板电视机提供待机供电；当所述平板电视机CPU接受开机指令而输出送往所述时序电路3的控制信号，所述时序电路3输出一信号控制所述PFC电路2工作并输出一300～500伏电压范围的直流电源给所述主电源输出电路5，所述主电源输出电路5在所述时序电路3的指令信号控制下，输出所述平板电视机各部分电路所需的工作电压。所述主电源输出电路包括至少两路主电源输出，如+24V和+12V，通过一采用环形磁芯(如图6所示)或者可忽略气隙的C形磁芯绕制的变压器T2来实现电压转换。这样可以避免普通E形磁芯不可避免存在的气隙而造成功率损耗，同时因具有较大散热面积，易于实现开关电路的超薄化设计。所述磁芯或者是卷绕硅钢带磁芯，或者是铁氧体磁芯。(因属于现有技术，不再赘述)。
图2是本实用新型实施例待机电路的原理框图。该电路采用与主电源彻底分离的单独设计，包括专用控制芯片。电源上电时，输入电源分两路，一路经一启动电路给所述控制芯片提供启动电压，另一路送所述变压器T1，该变压器T1不同的耦合绕组输出分别经辅助电路和吸收保护电路支路送往所述控制芯片；所述变压器T1又一耦合绕组的输出经整流滤波电路输出所述向平板电视机提供的待机电源，所述整流滤波电路还输出送往反馈电路的取样信号，再经稳压电路输出送往所述控制芯片的反馈信号，使所述控制芯片调节控制电路振荡来保持所述待机电源的稳定。
所述待机电路的具体实现如图3所示所述专用控制芯片采用英飞凌公司的ICE2A180，仅需极低的启动电流，由R105、R106、R107、R108等组成所述启动电路。在90～265V交流电源输入开关电源时，整流桥D103的输出经R180送往所述启动电路，所述待机电路仅需0.02～0.15W的启动功耗；启动完成后转由变压器T1的N2耦合绕组，及D104、E1等组成的辅助电源向所述控制芯片供电，也仅需0.1～0.2W的功耗。因此，该待机电路功耗特低，并因该选用的控制芯片将开关模式控制系统的所有功能合并在一起及特殊设计了功率MOSFET管，而减小了热耗及提高了效率。
尤其是，所述待机电路包括一稳压管D107，阳极接地，阴极接ICE2A180供电源端(第7脚)，用于将电压VCC钳位在一个安全的范围内，以避免因输入电压或反馈电压变化造成该专用芯片工作异常而烧毁。
此外，所述待机电路还包括并联连接的一电阻R168和一电容C106，该并联电路的一端接地，另一端接ICE2A180反馈电压端(第2脚)，用来改善该芯片内部的保护设置，可以在保证电路正常输出的同时，有效地改善待机电源空载启动的可靠性，并防止各种干扰引起的电路误保护。
所述PFC电路2具体如图3所示，包括一无源无损开关BOOST交换器和一大功率开关驱动电路。所述无源无损开关BOOST变换器是工作于临界导通模式的升压型变换器，工作在连续导电模式。该变换器包括(1)PFC主电感L7；(2)附加电感L9，与所述主电感L7串联；(3)包括D114、D115、C155、C161的附加电路；所述二极管D114的阳极接所述电感L7和L9的连接端，阴极接二极管D115的阳极；所述电容C155与C161并联，一端接所述二极管D114的阴极，另一端连接与所述电感L7串联的所述电感L9的另一端；(4)包括D132、C162、R253的附加电路，所述二极管D132的阳极接所述二极管D114的阳极，阴极通过所述电容C162接地，该阴极还通过电阻R253连接所述二极管D115的阴极。该无源无损开关BOOST变换器还包括一漏极接所述二极管D114阳极、源极接地的开关管Q3，所述电容C155和电感L9的连接端通过二极管D113连接二极管D115的阴极和一电容E7的正端，具体工作过程是当开关管Q3开通，电感L7、L9接到整流桥D103输出的+和-端，流经L4、L9的电流线性增加；当Q3关断，L4、L9连接于整流输出的+端和电容E7的正端(通过所述二极管D113)，L4、L9中电流流向E7；由于Q3高频工作，E7电压被充到一预定电压值，比如大致400V。一包括电阻R153的反馈回路通过连续检测所述E7上的电压来相应调节Q3的开通时间，使所述E7直流电压保持所述预定值。该负反馈控制过程是低速和低增益的，因此电感平均电流平滑地跟随低频电网电压，从而实现高功率因数和低谐波失真。
所述附加电感L9、包括D114、D115、C155、C161的附加电路和包括D132、C162、R253的附加电路共同组成无源无损软开关电路，能在不增加开关应力的基础上实现零电流开通和零电压关断。其中L9提供主开关零电流开通条件，限制主整流二极管D113的反向恢复电流；电容C155、C161为电感L9能量恢复提供能量。
与普通硬开关及普通有源开关BOOST变换器相比，本新型无源无损软开关BOOST变换器优点有大功率输出，可以运用在大于500W～3000W电路中；高功率因数，PF≥0.98；低谐波失真、低电磁辐射、高效率；可以显著改善开关特性，减少开关管功耗和电磁干扰。
所述大功率开关驱动电路，包括一npn型晶体三极管Q1和一pnp型晶体三极管Q2，二者的基极相连，一电容E9的正极连接所述三极管Q1的集电极，电阻R146与R148的串联支路一端接所述三极管Q1的发射极、另一端接所述三极管Q2的发射极；所述三极管Q2的集电极接地；所述电阻R146与R148的连接端还连接一电阻R149的一端，该电阻R149用来连接所述开关管Q3的栅极和源极，以向所述开关管Q3提供“开通-关断”信号。该开关驱动电路连接在驱动芯片IC1和所述开关管Q3之间，可以减小对驱动芯片驱动能力的要求，显著地改善开关驱动波形，使得大功率开关管的选用和使用变得简单可靠，从而大大地增加了输出功率。
图3所示的所述反馈回路还包括电阻R150，所述电阻R153和R150串联在所述E7上的电压和地之间，所述驱动芯片IC1一引脚连接所述电阻R153和R150的连接点，从而根据取样分压调节送往所述开关驱动电路的信号大小。
本实施例PFC电路2的上述设计，可以使本实用新型的开关电源适应全范围交流电源输入，及具有高功率因数、低谐波失真、高效率的优点。
下表是本实用新型优选实施例与普通BOOST变换器的满载功率因数及本级满载效率比较(本优选实施例中，C155、C161＝0.1uF，C162＝0.01uF，R253＝4.7Ω/3W，L7＝900uH，L9＝3uH，Q3型号为SPW20N60S5)
图5是本实用新型实施例的过流、过压保护电路框图。当开关电源为电视机工作状态提供电压时，主路+24V、主路+12V及辅路(+22V为例，但不限于该电压)输出正常电压，各路过流、过压、短路保护电路开始工作并监测输出状况。每一路电源各包括一基准电压和一电流取样、一电压取样电路，分别输出给一比较电路；一保护电路接收各所述比较电路对相应路电源工作判断结果并输出控制信号往时序控制电路，当任一路的电压或电流超过允许范围或出现短路时，由其向所述主电源输出电路提供一个保护信号来切断主电源。
具体见图4的电原理图，以+24V主路为例。所述基准电路包括5V待机电源和串联的分压电阻R205、R203；电流取样电路包括电阻R195、R207和电容C145；电流比较电路包括5V待机电源和IC11、C159等，当此路的电流超过允许范围时，或此路有短路时，由其向主保护电路提供一个保护信号(通过光耦集成电路IC15)耦合到时序控制电路，用来控制切断主电源。
另取一包括5V待机电源和电阻R209、R237的基准电路；所述电压取样电路包括电阻R213、R214、R215和电容C154等；电压比较电路包括5V待机电源和IC13、C143等，当此路的电压超过允许范围时，由其向主保护电路提供一个保护信号(通过光耦集成电路IC15)耦合到时序控制电路，用来控制切断主电源。
本实用新型实施例所用的主要元器件清单如下序号电路符号型号或参数厂家1 IC1 L4981AD ST2 IC2 ICE2A180 Infineon
3D107 1N4746ASEMTECH4D113 DSEI8-06A IXYS5Q3 SPW20N60S5 Infineon6Q7 SPP11N60C2 Infineon7Q8 SPP11N60C2 Infineon8R168 6.8kΩ9C106 0.1uF所述平板电视机包括PDP屏电视机和LCD屏电视机，用于它们的开关电源具有基本一样的待机电路、PFC电路、主输出电路，主要区别在于时序电路中时序识别控制电路的级数、主电源输出电路中的辅助电源输出路数不同，以及(因对应屏的特点)PDP电源的两路主电源输出均为大功率高压输出，而LCD电源的均为大功率低压输出。上述区别只需借鉴现有技术调整变压器、输出整流管、电容等参数来实现，非本实用新型要解决的问题，不在此赘述。关于二者开关电源共有的结构均在本实用新型保护范围内。
权利要求1.一种用于平板电视机的开关电源装置，包括电源输入模块(1)，待机电路(4)，PFC电路(2)，时序电路(3)和主电源输出电路(5)；当电源被接通经所述电源输入模块(1)送往待机电路时，所述开关电源处于待机状态并向平板电视机提供待机供电；当所述平板电视机CPU接受开机指令而输出送往所述时序电路(3)的控制信号，所述时序电路(3)输出一信号控制所述PFC电路(2)工作并输出一300～500伏电压范围的直流电源给所述主电源输出电路(5)，所述主电源输出电路(5)在所述时序电路(3)的指令信号控制下，输出所述平板电视机各部分电路所需的工作电压；其特征在于所述主电源输出电路包括一采用环形磁芯或者可忽略气隙的C形磁芯绕制的变压器T2。
2.根据权利要求1所述用于平板电视机的开关电源装置，其特征在于所述磁芯或者是卷绕硅钢带磁芯，或者是铁氧体磁芯。
3.根据权利要求1所述用于平板电视机的开关电源装置，其特征在于所述待机电路包括专用控制集成电路ICE2A180。
4.根据权利要求2所述用于平板电视机的开关电源装置，其特征在于所述待机电路还包括一稳压管D107，阳极接地，阴极接ICE2A180供电源端，用于将电压VCC钳位在一个预定范围内。
5.根据权利要求2所述用于平板电视机的开关电源装置，其特征在于所述待机电路还包括并联连接的一电阻R168和一电容C106，该并联电路的一端接地，另一端接ICE2A180反馈电压端。
6.根据权利要求1所述用于平板电视机的开关电源装置，其特征在于，所述PFC电路(2)包括一无源无损开关BOOST变换器，该变换器包括PFC主电感L7；与该主电感L7串联的附加电感L9；一包括D114、D115、C155、C161的附加电路；所述二极管D114的阳极接所述电感L7和L9的连接端，阴极接二极管D115的阳极；所述电容C155与C161并联，一端接所述二极管D114的阴极，另一端连接与所述电感L7串联的所述电感L9的另一端；一包括D132、C162、R253的附加电路，所述二极管D132的阳极接所述二极管D114的阳极，阴极通过所述电容C162接地，该阴极还通过电阻R253连接所述二极管D115的阴极；一漏极接所述二极管D114阳极、源极接地的开关管Q3，所述电容C155和电感L9的连接端通过二极管D113连接二极管D115的阴极和一电容E7的正端，当开关管Q3开通，电感L7、L9接到整流桥D103输出的+和-端，流经L4、L9的电流线性增加；当Q3关断，L4、L9连接于整流输出的+端和电容E7的正端，L4、L9中电流流向E7；由于Q3高频工作，E7电压被充到一预定电压值；一包括电阻R153的反馈回路通过连续检测所述E7上的电压来相应调节Q3的开通时间，使所述E7直流电压保持所述预定值。
7.根据权利要求1或5所述用于平板电视机的开关电源装置，其特征在于所述PFC电路(2)还包括一大功率开关驱动电路，该开关驱动电路包括一npn型晶体三极管Q1和一pnp型晶体三极管Q2，二者的基极相连，一电容E9的正极连接所述三极管Q1的集电极，电阻R146与R148的串联支路一端接所述三极管Q1的发射极、另一端接所述三极管Q2的发射极；所述三极管Q2的集电极接地；所述电阻R146与R148的连接端还连接一电阻R149的一端，该电阻R149用来连接所述开关管Q3的栅极和源极，以向所述开关管Q3提供“开通-关断”信号。该开关驱动电路连接在驱动芯片IC1和所述开关管Q3之间。
8.根据权利要求6所述用于平板电视机的开关电源装置，其特征在于所述反馈回路还包括电阻R150，所述电阻R153和R150串联在所述电容E7上的电压和地之间，所述驱动芯片IC1一引脚连接所述电阻R153和R150的连接点，从而根据取样分压调节送往所述开关驱动电路的信号大小。
9.根据权利要求1所述用于平板电视机的开关电源装置，其特征在于所述时序电路(3)还包括至少一组过流过压保护电路监测主电源输出；所述过流过压保护电路包括一基准电压电路、一电流取样电路和一电压取样电路，分别输出给一比较电路；一保护电路接收所述比较电路对所述主电源工作判断结果并输出控制信号往时序控制电路，当该路主电源的电压或电流超过允许范围或出现短路时，由所述时序控制电路向所述主电源输出电路提供一个保护信号来切断主电源。
专利摘要一种用于平板电视机的开关电源装置，包括电源输入模块，待机电路，PFC电路，时序电路和主电源输出电路；尤其是，所述主电源输出电路包括一采用环形磁芯或者可忽略气隙的C形磁芯绕制的变压器T2；所述待机电路包括专用控制集成电路ICE2A180。本实用新型方案可以使开关电源设计超薄化，适应全范围交流电源输入，并具有低待机功耗和高转换效率的优点。
文档编号H04N5/63GK2829251SQ200520061679
公开日2006年10月18日 申请日期2005年7月25日 优先权日2005年7月25日
发明者陈春荣 申请人:深圳市跨宏科技有限公司