为了避免造成概念上的混淆,本文中对B+、B+1、B+2的含义加以规范。B+为多年来对行扫描输出级供电的俗称。B+1、B+2的提法,是为区分变频电视机、自动扫描显示器中行输出级供电电源两个不同电路部分的输出电压。比如:视频设备中主开关电源输出的B+电压,并不直接向行输出级供电,而是经升/降压变换后提供行供电则称为B+1。而升/降压降稳变换后输出电压,直接向行输出级供电的电压则称为B+2。显然,B+和B+1实质上是一种电压在不同视频设备中的两种称谓。
目前,模拟变频彩电和自动扫描显示器中行扫描 频率都随显示模式而在一定范围内变化。兼容60 Hz 逐行扫描的电视机,为了提高清晰度往往采用28~ 46.875 kHz的行频。而现代的显示器为了兼容VGA、SVGA 和VESA显示模式,行扫描频率由31.5。kHz~106 kHz范 围内自动同步。
为了适应行扫描频率的大范围自动适应,首先必 须解决的是不同行频时有基本不变的行幅。当显像管 和偏转线圈选定以后,稳定行幅实质上是稳定行偏转 线圈的行偏转电流。作为行输出级负载的行偏转线圈, 目的是给CRT电子束建立水平偏转磁场,其电一磁的 转换有效参数为偏转线圈的电感,但其固有的电阻(电 线的固有直流电阻)成分将使行偏转电流产生损耗,同 时使矩形波电压一锯齿波电流的形成过程产生失真, 因而行偏转线圈的设计总是使其在达到一定电感量的 条件下尽量减小直流电阻,使直流电阻成分在行偏转 线圈总阻抗中所占比例极小,达到可以忽略的程度。所 以在讨论稳定行扫描电流的过程中可以将行偏转线圈 当作纯感性负载。
在纯感性负载电路中,电感中的电流IL仍然符合 欧姆定律,即行偏转线圈中的行偏转电流IL=Ux/XL。其 中UL为行输出级开关变换后输出的矩形脉冲幅度, XL=2π fL,行偏转线圈在特定行频f时的感抗(公式只作为比例关系的示意,实际三种参量均为矢量)。由此可见,当行频f升高时,行偏转一圈的感抗x,随之以2 πf倍增大,如果此时UL不变,则使行扫描电流IL同比减小,行幅自然缩小。以IL=uL/XL的关系可见,当行频升高时,欲使IL不变而稳定行幅,只需同比提高UL即可。
从行输出级的工作原理可知,要想提高输出开关脉冲的幅度,唯一可行的方案是提高行输出级供电电压B+。基于原理,在早期只兼容少数四种以下显示模式的显示器中,采用步进式电子开关与行频同步的转换B+电压值,以使不同行频的显示模式时行输出级有随行频升高的供电电压。对目前的自动扫描显示器而言,兼容显示分辨率多达15种以上,而且各大电子公司开发的显示模式要求不同的行、场扫描频率,完成自动同步、步进式切换是不可能满足要求的。于是在自动连续同步的显示器中,采用升/降压变换器组成的B+2电源系统,当行频自动同步时输出随行频升高的B+2电压。这是对行输出二次供电电源的第一基本要求。
根据行输出级工作原理,行供电电源在输入电压变动、负载变动时还必须有良好的输出电压稳定度,否则难以使行幅度稳定。因此,对行输出级二次供电电源的第二要求是:行频为固定值时有良好的稳压性能。如果采用典型开关电源电路,同时达到这两项要求是难以实现的。目前自动扫描显示器B+2电源都采用斩波式(Chopper)升压或降压开关电源为基础,改变取样方式,以达到随行频升/降压、又稳压的双重目的。
所谓斩波式开关电源,是由开关管Q控制输入电压的通/断,将输入的直流变成断续的脉冲波,再将此脉冲送入由储能电感L、续流二极管D、滤波电容C组成的L、D、c能量转换电路变成平滑的直流电。由于开关管Q和L、D、c电路的接法不同,可以形成升压或降压变换电路,其示意图如图1A和图1B所示。
图1A中的输出电压Uo为断续脉冲在电感L中电磁转换感应电势,经D整流、c滤波形成,故Uo≤ UIN,则称之为降压式开关电源。图1B中的输出电压Uo则为L产生的脉冲感应电势整流后,与UIN叠加而成为Uo,故Uo>UIN,则称之为升压式开关电源。这两种开关电源属开发最早的开关电源经典电路,在彩电等电器中应用十分广泛(如M11机心中的降压式开关电源,“北京”牌彩电中的升压式开关电源),其工作原理已被读者所熟知,此处无重述的必要。但必须注意以下结论。
此开关电源系二次供电电源的基础,并不能直接用于行输出级二次供电电源,原因是它只有Uo的稳压功能,而与行扫描频率无关。
为了在稳压功能基础上使Uo的电压能与行扫描频率同比升高,则必须改变脉宽控制取样电路的接法。原则方案是:
去掉图1中原有的取样误差放大器,将输出电压Uo向行输出级供电,在行输出级中采用与行供电电压成正比的行逆程整流电压经取样,再去控制脉宽调制器。因此,行输出二次电源成为图2所示的电路结构 (升/降压式相同,图2中仅以升压式行供电为例)。很明显,图2与图1的区别是将经典斩波式电源的取样,由U。分压取样改为行逆程脉冲整流、分压取样,即图2中行逆程整流输出UF代替了图1中的Uo作为输出电压取样。UF虽然并不等于Uo(本文中改标为B+1),根据行输出级的工作原理,当其工作于固定行频时,UF却与行输出级供电电压成正比。行频不变时,升压系统的输出电压uo作为B+2向行输出级供电,使UF正比于B+2供电电压,因而图2的电路结构中行输出部分只是B+2→UF的变换过程,所以仍具有输出电压B+2的良好稳压功能。当行频不变时,B+2是稳定的。
行逆程脉冲属行负载电路的自感电势,自然还受到行输出变压器初级绕组的电流影响,行输出电路中,行输出变压器(FBT)的初级绕组电感量设计总是使其对行偏转线圈的分流不大于五分之一,保持一定的FBT初级电流是完成行逆程升/降压输出CRT高、中、低电压所必需的。当行频升高时,FBT初级感抗同比增大,使其初级电流同比减小,因此,FBT磁通量也降低,使自感电势降低。由电工原理可知,电感线圈的自感电势eL=Ldi/dt,电流变量减小使eF输出电压随行频升高而降低,eF的降低使图2中脉宽增大,B+2升高。由此可见,行输出级二次供电稳压器,通过行输出级作为取样电压变换,完全实现了既稳压、又随行频升压的双重目的。
基于此原理,行输出级二次供电电路被本世纪生产的自动扫描显示器所广泛采用。飞利浦公司生产的显示器大部分采用降压式开关变换,三星、LG及部分国产显示器则大多采用升压式开关变换。无论升压式还是降压式,其统一的模式是直流稳压变换器,仅行输出级供电从市电输入开始,需经两次直流稳压变换,这对任何稳压变换器来说其效率极难达到80%,因而使目前38 cm(15英寸)显示器功耗达到150 w以上,几乎与74 cm(29英寸)彩电相当,而且机内温升也较高,故障率明显增大。
近年来,飞利浦、三星等显示器中开始采用行输出级的脉冲供电电路,其基本原理是:行输出级原本工作在开关状态,当开关管导通时输出矩形波脉冲,加到感性负载电路,形成锯齿波扫描电流。开关管截止时,行扫描电路由阻尼管、逆程电容完成前半段逆程扫描,同时形成行逆程脉冲。在此期间行输出电路并不从电源吸收供电电流,因此完全可以只向行输出管提供导通期间供电脉冲,即可完成行扫描的全部功能。脉冲供电使行二次供电电源平均功耗大幅降低,相应可提高B+2电源的可靠性。
如果将图2中B+2滤波电容c去掉,即成为行输出级脉冲供电的示意图。由于无滤波电容,当开关管Q截止时,升压电感L的自感电势和B+1同向相加使D导通,将在行输出变压器的初级产生B+2脉冲电势。B+2电源的驱动脉冲都由行逆程同步,因此当Q1截止时,Q导通,D截止,L存储磁能。Q1导通时,Q截止,L释放能量,D导通,导通脉冲电流形成行输出管电流。这种供电方式因无大容量滤波电容,使B+2电源冲击电流明显减小,脉冲供电平均功耗也低于直流供电。
脉冲供电的稳压过程仍属于PWM稳压器,B+2电源中无论升/降压电路都由电感作为能量转换媒介。当脉宽不同的矩形波加在电感两端时,其存储的能量与脉宽成正比,从而能量释放过程中形成与脉宽成正比的自感电势。所以只要控制脉冲宽度即可控制B+2脉冲的幅度。
行输出级B+2脉冲供电实际电路如图3所示。为三星PG17/PG19系列显示器的行输出级及脉冲供电电路。该显示器采用SAM9222为自动扫描行、场前级集成电路,其内部无二次电源驱动系统,因而由IC402(KA3843)和场效应开关管0403组成独立的它激驱动降压式稳压电路。由图3可见,与直流B+2供电电路最大的区别是L、D、C降压电路,其中Q403为降压开关管,D416为续流二极管,FBT的初级绕组6—2既是储能电感,又是行输出变压器的初级绕组。经Q403后的脉冲电流波形实际受行输出管0405的控制,所以行输出变压器的初级能量释放电流经Q405的控制,也即为行输出脉冲电感。该B+2电源的驱动器IC402和UC3842大同小异,其外围R408、C427使内部振荡器的振荡频率为24 kHz。FBT第⑧脚的行逆程脉冲经R407、D406使振荡频率与行频同步,以保证D416和Q405同时导通时0403是截止的。为了稳定行幅,FBT第⑧脚的行逆程脉冲还经D415整流、C428抑制尖峰,再经R433、R432分压,送入IC402第(2)脚控制驱动脉宽,以稳定行脉冲的幅度。因为Q403导通,FBT存储能量的过程为行逆程期间,所以取样控制电压也只是将尖峰脉冲抑平,无需滤波为纯直流,因而C428只有O.027μ F。Ic402的开关电流传感输入,是由R429对行输出级脉冲电流取样(在此电路中行脉冲电流即为B+2输出负载电流),以使行B+2供电脉冲能保证行脉冲电流不变。
脉冲供电电路中,当降压开关失控时,Q403导通时间延长,FBT初级能量存储增大,当0403截止、Q405导通时,D416整流后脉冲电压幅度升高,同样会击穿行输出管。因此在IC402的第⑧脚基准电压VERF输出端加入D402,12 V VCC供电端加入D401,在Vcc、VREF达到稳定值之前先通过D401或D402瞬间导通,将0402基极下拉为低电平,0402导通,使Ic402误差放大器输出端(第①脚)为小于1 V的低电平,从而关断驱动脉冲。此外,Q402还可防止IC402使用期中因VREF失常而造成的稳压功能失控。另外,Q402基极的R402和C421还构成开机软启动电路。开机瞬间VREF建立过程中,经R402对C421充电,开始C421成短路状态,使0402导通,随充电电压升高,0402缓慢截止,Ic401第①脚电压升高,控制PWM进入正常受控状态。
脉冲供电的行扫描电路,行输出级供电电压为脉冲波,因而用万用表检测FBT第⑥脚电压仅能测得不准确的脉冲平均值,给行输出电路检修带来不便。为了判断行输出级工作是否正常,可以用示波器观察行输出管逆程脉冲幅度是否正常。或者通过检测D415的整流电压与正常值比较加以判断。正常状态下,Q405集电极矩形波峰值为230 Vp—p,有效值约为150 V。当行频为31.5~91 kHz的兼容范围内,D415的整流电压均稳定在14 V左右。当行频为31.5 kHz时,行输出管正常导通电流在R429两端压降为0.9 V。行频为68 kHz时,R429两端压降为O.5 V左右。以上数据可作为该机行输出部分的检测依据。