全固态电视发射机中的高性能开关电源设计

　　为了建设低碳可持续型社会，人们对环保节能低耗绿色能源提出了更高的要求。随着各种功率开关元件的研制、应用，随着各种类型专用集成电路、磁性元件、高频电容研制成功，应用功率电子学技术理论研究不断深化，功率变换器拓扑及其对偶理论日益完善。如今开关电源的工作频率从20KHz 提高到500KHz 甚至到1MHz ,功率也从最初的几瓦、几十瓦提高到了几千瓦、几十千瓦甚至更高，效率可以达到90%以上。完全适应当今高效率、小型轻型化、低功耗的技术要求，从而取代了笨重的工频变压器。在现阶段各种输入输出设备有90%以上都采用开关电源方式供电，只有少数音响功放为了追求更高的音质而采用环形变压器供电方式。开关电源是实现绿色能源的重要手段，也是今后相当长一段时间绿色能源发展方向。

　　全固态发射机，除了信号指标的提升外，体小量轻、高效低耗、积木式结构维护简单是它的显着优点，其供电方式采用六只26V/100A 开关电源分别为六路末级功放供电。开关电源是整个发射系统的能量保障，本文介绍开关电源分类、工作原理、优缺点以及维修方法等。

　　一、开关电源按照控制原理可以分为四类

　　1、脉冲宽度调制（简称PWM、即脉宽调制）式：工作方式为开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压的目的。

　　2、脉冲频率调制（简称PFM, 即脉频调制）式：工作方式为脉冲宽度为恒定，通过调节开关频率来改变占空比。

　　3、脉冲密度调制（简称PDM,即调密制）式：其特点工作方式是脉冲宽度为恒定，通过调节脉冲数实现稳压的目的。这种调制方式需采用零电压技术，能显着降低功率开关管的功耗。

　　4、混合调制式（即脉冲宽度调制和脉冲频率调制两种方式相结合）开关周期和脉冲宽度都不固定，均可调节。

　　以上四种方式统称为"时间比率调制"（即TRC 方式）。其中脉冲宽度调制方式技术最为成熟， 应用也最为广泛。如早期产品CW1525A、1527A, 近期产品T494、UC3842 等均为脉冲宽度调制。

　　二、开关电源的工作原理及其性能

　　以上四种调制方式以脉冲调宽开关电源在实际应用中最为广泛。基本构成如图1- 1 所示，主要由以下6 部分组成。

 

　　接入交流电网（50Hz ,220V AC 或者115VAC）经EMI 防电磁干扰电源线滤波器，直接整流滤波变成直流， 再经变换器将直流电压（275V 或172V） 变换为数十KHz 或数百KHz的高频方波或准方波电压控制功率开关管，经高频率变压器隔离、降压（或升压），再经高频整流滤波后输出直流电压，经取样、比较、放大控制PWM 调制器驱动功率开关管的占空比。从而可以得到稳定的输出电压。

　　通过以上介绍我们基本了解了开关电源的分类及其脉冲宽度调制类型的基本构成。但在实际运用中，PWM 制式开关电源有两种控制类型，一种是电压控制方式，一种是电流控制方式。电流控制方式开关电源是在电压控制环路基础上又增加电流控制环路。基本原理如图1- 2（a , b）所示：

 

　　通过接入源极， 反馈电阻Rs 去控制电流检测比较器。Us 为电流检测电阻压降， 此时PWM 比较器为电流检测比较器。电流控制型通过检测电阻来检测电流，并且可逐个周期的限制电流，便于实现过流保护。固定频率的时钟脉冲将PWM 锁存器置位，从Q 端输出的驱动信号为高电平，使功率开关管VT 导通，高频变压器一侧电流线性地增大。当电流检测电阻Rs 上的压降达到并超过Us 时，电流检测比较器翻转，输出的高电平将锁存器复位。从Q端输出的驱动信号变为低电平，令开关管关断直到下一个时钟脉冲使PWM 所存器置位。电流控制型开关电源具有以下优点：

　　（1） 它属于双闭环控制系统，外环由电压反馈电路构成，内环由电流反馈组成，并且电流反馈电路受电压反馈的控制。与纯电压反馈电路相比，电流反馈电路的增益带宽更大。

　　（2） 对输入电压瞬时变化的响应速度快，当输入电压发生变化时能迅速调整输出电压以达到稳定值。这是因为输入电压的变化会导致高频变压器一侧电感电流发生变化，进而使Us 改变，无须经过误差放大器，直接通过电流检测比较器就能改变输出脉冲的占空比。

　　（3） 电压控制环和电流控制环双重控制下，可提高电压调节技术指标。简化误差放大器补偿网络的设计。

　　（4） 只要电流保护设定阀值，PWM 电流比较器就会动作，使功率开关管关断，维持输出电压稳定。电流控制型本身带有限电流保护， 只需改变Rs 值，即可精确设定限电流阀值。

　　此电流控制型电路也存在许多不足的地方：如电路较电压控制型复杂，给电路问题分析带来了困难。当占空比超过50%时，高频变压器一侧电感工作在连续储能模式，开关电流信号的上升斜率较小，可能造成控制电路工作不稳定，需加斜率补偿。对噪声抑制能力较差，只要在电流信号上叠加较小噪声，就容易导致PWM 控制器误动作，需增加噪声抑制电路等。