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LED拼接大屏幕电源电路原理及故障检修

2019-07-03 14:22:35 来源:电子报

某大屏幕显示器由80个LED显示单元拼接而成,20个开关电源模块为它们供电,每个电源模块为4个LED显示单元提供5V电源。

某大屏幕显示器由80个LED显示单元拼接而成,20个开关电源模块为它们供电,每个电源模块为4个LED显示单元提供5V电源。拼接屏故障现象为:开始是其中6个LED显示单元的亮度变暗,关断交流220V供电,重新加电后,变为20块LED显示单元变为完全不亮,另有32个LED显示单元亮度变暗。经检查确认,故障由电源模块故障引起,其中,为完全不亮的20个LED显示单元供电的5个电源模块无输出电压,为亮度变暗的32个LED显示单元供电的8个电源模块的输出电压不同程度地变低(电压在3~3.9V之间)。电源模块采用的是诚联电源生产的CL-A-200-5型5V/40A直流电源。

一、电源工作原理

根据电路板实物绘制的原理图,元件标号与实物一致。电源电路由交流干扰抑制(EMI)及主整流滤波电路、DC/DC变换电路、稳压控制电路以及过流/短路保护电路4部分组成。

1.EMI及主整流滤波电路

EMI电路由C1-C4、L1构成。其作用:1)抑制输入市电的电磁干扰,以免影响电源工作;2)防止电源工作时产生的高频电磁信号通过交流线路传导或辐射到市电网络,影响其他电气设备的正常工作。R13用于泄放C1存储的电荷。

整流滤波电路由整流全桥BD1和主滤波电容C5、C6构成。其作用是将交流220V供电变换为DC/DC变换电路所需的300V直流电压V0。C5、C6两端并接的电R2、R1不仅可均衡2只电容的电压,而且在断电后可快速泄放掉电容储存的电能。负温度系数电阻RT1用于防止加电瞬间产生的冲击大电流。

2. DC/DC变换电路

该电路由脉宽调制控制芯片IC1(KA7500B)及其外围元件构成的脉冲振荡信号产生电路5部分构成。其中,由激励变压器T2、三极管Q3/Q4及相关元件构成了驱动电路;由滤波电容C5、C6、高频变压器T1、开关管Q1/Q2及相关元件构成的功率变换电路;由D18、D19、L2、C22~C25构成了输出整流滤波电路;由T1的副边6-4-7绕组及D9、D10、C9组成了IC1的供电电路。

(1)KA7500B的简介

KA7500B(TL494)是一种性能较强的开关电源脉宽调制控制芯片,集成了多种功能电路。包括:由外接元件决定振荡频率的锯齿波振荡器(1~300kHz),脉宽调制逻辑电路,由2个集电极开路的三极管构成的输出脉冲信号驱动电路,控制2个驱动三极管同时截止的死区时间控制(DTC)电路(死区时间为振荡周期的4~*),2个用于调制输出脉冲宽度(即输出三极管导通时间)的电压误差放大器,以及给外围电路提供5V参考电压VREF的稳压电路等。

芯片采用16脚直插或贴片封装,工作电压为8~42V。

(2)振荡信号产生电路

IC1(KA7500B)内含一个锯齿波振荡电路。当VCC的12脚电压达到8V时,振荡器开始工作,振荡频率由5脚外接电容C14和6脚外接电阻R20决定。根据实际参数计算,电路的振荡频率=1.1/(R20×C14)=50kHz。芯片8脚C1端和11脚C2端分别以振荡频率的一半(即25kHz)交替输出脉宽调制信号。

(3)驱动电路

IC1供电VCC经电阻R12(1.5k)加到驱动变压器T2初级绕组的中间抽头2,Q4、Q3的c极分别连接到T2初级绕组的1、3抽头,IC1的8、11脚分别连接Q4和Q3的b极,T2的2个次级6-7、8-9绕组分别驱动开关管Q2和Q1工作,使它们工作在开关状态。当IC1的8、11脚同时为高电平时,Q3、Q4导通,T2初级1-2、2-3绕组中流过大小相等方向相反的电流,T2的2个次级绕组均无感应电压输出;当8脚有低脉冲信号而11脚仍为高电平时,Q4截止、Q3导通,T2的1-2绕组无电流流过,2-3绕组中有电流流过,6-7、8-9绕组产生左负、右正的感应电压;当8脚变为高电平而11脚有低脉冲信号时,Q4导通、Q3截止,T2的1-2绕组有电流流过,2-3绕组无电流流过,6-7、8-9绕组均产生左正右负的感应电压。Q3、Q4的e极所接D15、D16和C13用于将e极电位抬高到1.3V以上,使得Q3、Q4能可靠截止。

(3)高频电压变换及输出整流滤波电路

IC1的8、11脚输出的脉冲信号经推动电路放大后,在T2的2个次级绕组产生感应脉冲电压。当T2的6-7、8-9绕组产生左正、右负的感应电压时,Q1的b极获得正向脉冲而导通,Q2的b极获得反向脉冲电压而截止,电流从C6的正极经Q1的ce结、T2的5-4绕组、开关变压器T1的初级9-8绕组、C7流向C6的负极,给T1充磁,此时T1的次级1-3、3-2绕组感应出上正下负的低电压输出脉冲。当T2的6-7、8-9绕组产生左负右正的感应电压时,开关管Q2的b极获得正向脉冲电压而导通,Q1的基极获得反向脉冲电压而截止,电流从C5的正极经C7、开关变压器T1的初级8-9绕组、T2的4-5绕组、Q2的ce结流向C5的负极,给T1反向充磁,此时T1的次级1-3、3-2绕组感应出下正、上负的脉冲电压,它们经D18、D19全波整流,利用L2、C22~C25构成的滤波网络滤波后,输出5V直流电压。

C10、C11用于加速Q1和Q2的导通和截止,以降低功率开关管的热损耗;R6、R7和R10、R11为Q1和Q2的b极限流电阻;D7、R5和D4、R9的作用是抬高Q1、Q2的导通电压,使Q1和Q2能可靠截止;D5、D6是续流二极管,在Q1、Q2由导通变为截止时,分别为T1的初级8-9绕组提供接续电流;C8、R3构成尖峰脉冲消除网络,用于吸收T1初级绕组产生的尖峰脉冲,以免开关管截止瞬间过压损坏。R34(51Ω)为电源空载时的输出负载电阻。

(4)芯片IC1的供电电路

该电路由T1的副边6-4-7绕组及D9、D10、C9构成。正常工作时,随着T1初级绕组中正反向电流的流动,在T1的6-4-7绕组交替产生的感应电压经D9、D10全波整流、C9滤波后,为IC1提供工作电压VCC。

(5)自激启动过程

接入交流电后,整流全桥BD1开始给C5、C6充电,C6正、负极间的电压经R4A、R4B、R7、R5、T2的5-4绕组、C7、T1的初级绕组9-8构成充电回路,在R5两端建立启动电压。当R5两端电压达到0.7V时,Q1导通,电流由C6的正极通过Q1、T2的5-4绕组自下向上 流过T1的9-8绕组,再经C7到达C6的负极,给T1充磁;同时,T2的6-7、8-9绕组产生左正右负的感应电压,加速Q1导通,抑制Q2导通,直至流过T1的初级绕组的电流不再增长;此后,T2的6-7、8-9绕组产生左负右正的感应电压,使Q1迅速截止,并且加速Q2导通,电流由C5的正极通过C7、自上向下流过T1的初级8-9绕组,再经T2的4-5绕组、Q2到达C5的负极,给T1反向充磁。重复该过程,在T1的副边6-4-7绕组产生感应电压,经D9、D10整流,C9滤波,产生IC1的工作电压VCC。

当VCC高于8V时,IC1开始工作,内部振荡器产生的振荡脉冲,控制PWM脉冲发生器产生驱动信号,经放大后从8、11脚交替输出。

(6)软启动过程

当VCC达到8V时,芯片IC1的14脚先产生5V参考电压VREF,该参考电压经C17(1μF)、R21(12k)分压后加到IC1的4脚(DTC),并给C17充电,IC1内部的死区时间控制电路将8、11脚置位为高电平。随着C17的充电及其两端电压的升高,IC1的4脚电位从5V逐渐降低,当4脚的电位降低到3.3V时(大约5ms延时),IC1的死区时间减小到振荡周期的96%,8、11脚开始交替输出*窄的负脉冲信号(占空比为4%),电源开始输出电压。随着4脚电位的进一步下降,8、11脚输出的负脉冲宽度逐渐增大,电源的输出电压也逐步升高,直到电容C17被充满电,4脚的电位变为R25(120k)和R21(12k)对VREF的分压值(约0.45V)时,IC1的输出脉冲不受死去时间控制电路控制,IC1的8、11脚的输出负脉冲宽度开始由两个误差比较器控制,完成软启动过程。

3. 稳压控制电路

稳压控制电路由IC1内误差放大器1、R22~R24、电位器RW1、R29~R31、C16、C19等元件组成。VREF经R23、R24分压,给IC1误差放大器1的反相端2脚提供2.5V电压,输出5V电压经R31、R29与R30、RW1分压后加到误差放大器1的同相端1脚。

当输出电压因某种原因下降时,经取样后使IC11脚输入的电压降低,误差放大器1输出变低,经IC1内部的脉宽调制电路作用,使8、11脚输出的脉冲宽度增大,开关管Q1、Q2的导通时间延长,开关变压器T1存储的能量增加,使输出电压升高到正常值,实现稳压控制。反之,稳压控制过程相反。

C16和R22为误差放大器1的补偿电路。调整电位器RW1可以微调输出电压。

4. 过流及短路保护电路

输出过流保护电路由IC1内误差放大器2、R35、R36、R231、康铜电阻J3-J6、R38、C12及C32构成。误差放大器2的同相端16脚经R231和C32接地,VREF经R35和R36、J3~J6分压,为误差放大器2的反相端15脚提供约54mV的电压。正常情况下,误差放大器2的输出为低电平,IC1的8、11脚输出脉冲信号宽度由误差放大器1控制。当负载电流增大时,康铜电阻J3-J6两端电压升高,误差放大器2的反相端15脚电压随之下降;负载电流大于42A时,误差放大器2的反相端15脚电压低于0,误差放大器2的输出变为高电平,高于误差放大器1的输出电压,IC1的8、11脚输出脉冲信号由误差放大器2控制,脉冲宽度随误差放大器2输出电压的升高而变窄,电源的输出电压降低。当误差放大器2的输出电压超过3.5V时,IC1的8、11脚无驱动脉冲删除,电源无输出电压。从而实现电源的过流保护功能。C12和R38为误差放大器2的补偿电路。

输出短路保护电路由Q5、R21、R26~R28、D17和C18构成。一旦负载出现短路,输出端电压低于2.1V时Q5截止,参考电压VREF经R26对C18充电,使IC1的4脚电压升高。当该电压达到3.3V时,死区时间控制逻辑电路使IC1停止输出负脉冲,8、11脚被置位为高电平,电源无电压输出。

二、故障检修

故障现象:带负载时电源输出电压为0或只有3V左右。

分析与检修:空载加电,测得输出电压为3.9V,并且电源盒发出轻微的“吱吱”声。断电后打开外壳,仔细察看主要元器件时,发现5V输出滤波电容C22~C25(3300μF/10V)鼓包,拆下并逐个测量,容量分别为19μF、22μF、29μF、31μF。用4只*同规格同规格电容更换后加电,输出电压变为6.63V,但仍能听到轻微的“吱吱”声,说明开关电源仍有故障。断电后,在路测量整流全桥BD1正常,测量C5、C6(470μF/200V)的容量正常。加电后,测量300V供电V0为299V,测IC1(KA7500B)的12脚的VCC电压只有2.03V,并且14脚的VREF电压仅为1.27V,说明IC1未工作,怀疑其供电电路异常。断电后,在路测IC1供电的整流二极管D9、D10正常,检测C9(47μF/50V)的容量不足0.4μF,说明它已失效。用同型号电解电容更换后再次加电,测得电源输出为5.07V,“吱吱”声消失,故障排除。

为了便于今后维修,笔者测量了空载和接1.8Ω假负载时,使用胜利VC9805A+型万用表测得IC1(KA7500B)各脚的电压值,如附表所示。

脚号空载电压(V)1.8Ω负载时电压(V)脚号空载电压(V)1.8Ω负载时电压(V)

 

脚号空载电压(V)1.8Ω负载时电压(V)脚号空载电压(V)1.8Ω负载时电压(V)

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