PDP控制电源的设计分析

引言

随着人们对大屏幕彩电的需求不断增加，等离子显示器(PDP)由于其体积小、视角宽、主动发光、亮度高、环境适应性好等独特的优点，在竞争中占有相当的优势，随着价格的降低，它必将进入家庭，有着巨大的市场需求。等离子显示器主要由显示屏、屏蔽玻璃、电源、数字电路、驱动电路、外壳等部件组成，其中电源担负着屏内所有电路和显示屏的供电，其技术含量高，功能复杂，为满足等离子显示器的安全要求，需要进行精心设计和严格测试。

电源输出特性

为了适应全球输入电压范围，交流输入电压为85～276V，经过EMI滤波、整流后采用有源PFC作电压预调整，共有8路输出电压:地址驱动电源Va，屏驱动电源Vs，逻辑控制电源Vcc，辅助电源(3路)，风扇电源，待机电源Vsb，其主要输出特性如下:

屏驱动电源(Vs)输出：165～185Vdc(可控)，自动设置，Vs=165+10×Vrs，Vrs为参考电压，在0～2V之间，由PDP提供，平均电流Is为1.5A，瞬时最大电流Isp为12.0A；

地址驱动电源(Va)输出：55～65Vdc(可控)，自动设置，Va=55+5×Vra，Vra为参考电压，在0～2V之间，由PDP提供，平均电流Ia为1.8A，瞬时最大电流Iap为3.0A；

逻辑电路电源(Vcc)输出：5Vdc(可控)，瞬时最大电流Icp为5.0A;辅助电源输出:+5V，3.5A;+12V，1A;-5V，0.5A;12V风扇电源(Vfan):电流为0.5～1.0A;5V待机电源(Vsb):电流为0.5～1.0A。

地址驱动电源Va和屏驱动电源Vs分别受PDP控制，而且有时序要求，所以采用两个独立DC/DC变换器;对于待机电源Vsb，在PDP不工作即其他所有输出均关断时仍然工作，所以Vsb采用一个独立的DC/DC变换器;Vcc与Vs和Va是共地的，为避免地线上的干扰，辅助电源组采用单独一组DC/DC变换器，输出内部共地，同时为了避免差频干扰，对大功率的Va和Vs变换器采用频率同步的工作方式(同步于PFC电路)。各变换器的逻辑关系及工作时序如下:

a.交流上电后，待机电源Vsb开始工作；

b.遥控开机后，先吸合继电器，PFC输出直流电压，辅助电源、PDP逻辑控制电源Vcc工作；

c.屏控电路初始化后，发出可启动高压驱动开启电平Vrr到PDP电源，Va和Vs启动工作；

d.遥控关机时，屏控电路先关闭Vs和Va，后关Vcc和辅助电源；

e.遥控关机后，待机电源仍然工作，以便下一次的启动。

其开关机时序如图1(a)、(b)所示。

(a) 开机时序

(b)　关机时序

图1　开关机时序图

图1中的t1为PDP电源内部高低压之间的启动延时，大约为110ms，Vrr是高压封锁信号，在Vrr为高电平之后即有高压输出，图中的t3表示Vs(165V)的软启动时间，大约为300～800ms，而Va(65V)无软启动。t4和t5仅代表关机时的先后顺序，其本身数值的大小和负载的情况密切相关，在满载情况下t4大约为450ms，t5大约为260ms。Vs和Va变换器是一起开机、一起关机，当前两路中有1路保护(过流、过压、过热)时，则将该两路变换器全部关断，但不关Vcc变换器。当Vcc变换器发生故障时，将Vs和Va变换器与Vcc变换器同时关断，整个电源的结构框图如图2所示。

图2　结构框图

电路设计

为了满足PDP电源的上述特性要求，每种电源都需要不同的电路结构，下面详细论述各个电路的设计。

EMI电路、有源功率因数校正电路和待机电源

为了满足全球化需要，PDP电源必须满足各个组织的EMI测试要求，根据阻抗匹配采用了如图3所示拓扑结构的EMI滤波器，经过参数优化和PCB优化，其传导辐射通过了CLASS B标准，有源功率因数校正电路采用了UC3854作为主控芯片，功率因数达到99%，待机电源采用PI公司的专用待机电源芯片构成单端反激变换器。

图3　交流输入滤波电路拓扑

辅助电源

辅助电源采用UC3844组成单端反激变换器，电压分别为一组5V/3.5A、-5V/0.5A，一路12V/0.5A，一路12V/1.0A，5V主控。

地址驱动电源Va和屏驱动电源Vs

此两路电源功率都比较大而且受控，因此采用两路相同结构的独立双管双正激变换器。我们以地址驱动电源Va为例进行设计，该路功率为120W，输出55～65Vdc(可控)，自动设置，Va=55+5×Vra，Vra为参考电压，在0～2V之间，由PDP提供。当Vra为2V时，对应Va的输出为65V。其控制电路采用SG3525芯片，把Vra电压经过分压和滤波处理后加到SG3525的1脚上对输出电压控制。主拓扑采用双管双正激变换器，特点是器件应力小，不存在剩磁问题，电路简单，避免直通问题，图4为双管双正激变换器的原理电路。

图4　双管双正激变换器的原理电路

在图4中，PFCout为功率因数校正的输出，为400V。每路正激变换器由两只MOSFET构成，这种双管正激可降低开关管耐压要求。与单正激变换器相比，双正激变换器在使输出功率增大的同时还带来如下好处:①输出滤波电感工作频率为两倍开关频率，这使得其大小相对减小;②变压器原副边变比为单正激的两倍，可选用低耐压的输出整流二极管。实际使用的开关频率为80kHz，开关管驱动采用脉冲变压器耦合隔离方式，这样可减小主电路对控制电路的干扰。每只MOSFET附近的RCD电路为吸收缓冲电路，可以有效吸收开关过冲，其参数值由开关频率和实际电路决定。当Po(单路)=65W时，其磁性元件设计如下：

设整流管最大压降Vsr≤0.7V，电感绕组的最大电阻压降VL≤0.1V，其他线路最大压降Vr≤0.1V，原边MOFET及线路压降Vsw≤0.3V，变压器效率η≥98%。其他参数为：

Vs：变压器副边电压
Vp：变压器原边电压
输入电压：Vin=390～400V
输出电流：Io=1A
输出电压范围：Vo=50～70V
输出功率：Pomax=70W
最大占空比：Dmax=0.45
开关频率：f=80kHz
导线的电流密度：J=4A/mm2
铁芯磁通密度变化量：ΔB=0.2T
(1)计算匝数比

(2)计算总视在功率

(3)计算铁芯窗口面积乘积

Kw：变压器窗口系数，窗口系数先粗略取0.4，本设计中原副边绕组均采用铜线； Kf对于双管正激电路可由以下公式算出：

(4)选择磁芯

根据Ap查磁芯手册，确定磁芯结构为EE42/21/15，磁芯材料为西门子N67材料，有效截面:Ae=234mm2，窗口面积:AW=250mm2，Ae×AW=5.85cm2>Ap。

(5)计算原边、副边绕组匝数

原边开关管为MTP4N80，额定电流4A，耐压800V。输出整流二极管D1～D4采用4只快恢复二极管DSEI1206A，其中2只并联使用作为续流二极管。DSEI1206A的反向软恢复特征使得输出尖峰电压减小外，反向恢复电流折算到原边也小，使得原边MOS2FET开通损耗减小。在输出电压65V，输出电流1A时，变压器温升小于30℃，效率为93%。

测试结果

PDP电源设计完成后需要进行高低温冲击试验、负载特性、功率因数、EMC等测试，其满载功率因数测试为>98%，以下为其他各个测试项。

基本性能指标

PDP电源基本性能指标表如表1所示。

环境测试

A.低温测试:-5℃时，电源能启动且可以正常工作，测试负载调整率、电压调整率、稳压精度、输出过流保护点、输出过压保护点、设置精度、峰峰杂音等项目。

B.高温测试:50℃时，电源能启动且可以正常工作，测试负载调整率、电压调整率、稳压精度、输出过流保护点、输出过压保护点、设置精度、峰峰杂音等项目。

EMC测试

A.电压暂降、跌落与短期电压变化测试用三相ACSOURCE模拟电网，电压暂降、跌落与短期电压变化时电源能正常工作。

B.电网特殊波形测试：

1)用三相ACSOURCR模拟电网谐波输入，样机能正常工作；

2)用单相ACSOURCR模拟电网尖峰、毛刺输入，样机能正常工作;尖峰电压大于400V时，关机保护。

C.噪声抗扰性测试

在电源输入端口耦合3kV共模噪声电压，样机能正常工作。

D.符合ANSIIEEEC62.41-1991、B3等级，1.2/50μs和8/20μs混合波，6kV/3kA。

元器件温升测试

在满载情况下所有元件温升低于40℃。

结论

PDP等离子显示屏是近几年在国际上出现的新产品，其电源设计比较复杂，要求输出路数多、体积小、电压调节范围宽、电压高、纹波小、噪声低、EMI低，开关机有严格的时序限制。这里设计的PDP电源已经成功应用在某知名品牌的42英寸等离子显示上，经过上万台等离子显示屏两年的使用验证，返修率小于0.05%，证明其设计的可靠性非常高。