DH321Q100 单片低功耗开关电源电路 低功耗电路的设计方法

DH321是仙童公司开发的最新单片低功耗离线式开关电源集成电路,电源电压输出控制方式为电流型脉宽调整(PWM),有“绿色芯片”之称。该集成电路为8脚双列直插式(8DIP)封装,(1)脚为接地端,(2)脚为电源端,(3)脚为反馈输入端,(4)脚为开关管极限电流调整端,(5)脚为启动电压接入端,(6)、(7)、(8)脚接内部场效应开关管的漏极。DH321内部集成了击穿电压为650V的“敏感型”场效功率开关管、内部偏置电路、高压启动电流源、固定频率振荡器、软启动电路、脉冲前沿闭锁电路、过压保护电路、欠压保护电路、过载保护电路、异常过流保护、过热保护电路、自动重启动电路等,由DH321组成的开关电源具有适应市电范围宽、效率高、功耗低、电磁辐射小、电路间捷等优点,因而特别适合制作成本低、微型化的小功率开关电源。世纪星、卓异、亚视达、二菱等品牌数字机采用了以DH321为核心元件的开关电源,从开关电源的构成来看,虽然都是以DH321为核心元件,但不同品牌数字机开关电源又有所不同,例如:卓异ZY-2250F和亚视达HIC-5288B数字机开关电源省略了抗干扰电路,这与生产厂家对开关电源的设计有关;卓异ZY-2250F电源只输出一组18V电压,亚视达HIC5288B电源有21V、15V、3.3V三组电源输出,而世纪星数字机有21V、15V、5V、3.3V四组电源输出,这与主板采用不同的芯片有关,但以DH321为核心元件构成开关电源的主变换电路、稳压电路的原理是相同的。现以世纪星数字机为例,简述其原理与检修。

工作原理

220V交流市电经电源开关SW和保险管FUSE送至抗干扰电路,滤除电网中的高频干扰信号,同时对开关电源产生的干扰信号起抑制作用。经抗干扰电路处理的220V交流电经过VD1-VD4组成桥式整流和C1滤波电路,得到约300V直流电压。300V直流电压一路经开关变压器初级(1)-(2)绕组加至DH321(6)、(7)、(8)脚内部的“敏感型”场效应功率开关管漏极,另一路直接加到的DH321(5)脚,通过内部高压启动电流源对(2)脚外接电容C4充电,随着充电的进行,当(2)脚电压上升到大于12V时,高压电源源的供电自行切断,DH321内部各功能电路开始正常工作,此时开关管进入正常开关状态。电路起振后,改由开关变压器(3)-(4)绕组产生的感应脉冲电压经VD6整流、R4限流及C4滤波后产生的约14V直流电压为(2)脚供电。只要(2)脚电压不低于8V,电路就将锁定正常工作状态,当(2)脚电压低于8V时,高压启动电流源的供电立即接通,为(2)脚外接电容C4充电,只有当(2)脚电压回升到大于12V时,内部自动重启电路动作,实现电源的自动重启动。由于DH321内部集成了高压启动电流源,因而无需外加启动电路,大大简化了外围电路。电源正常工作后,开关变压器次级各绕组产生高频脉冲电压,分别经过整流、滤波后输出不同的电压,为主板各单元电路提供工作电源。

IC2(PC817)和IC3(KA431)等元件组成电压取样、稳压电路,当因某种原因使输出电压升高时,取样电压比较放大器KA431的控制端R电压也随之升高,使KA431的K端电压下降,光电耦合器IC2(PC817)内的发光二极管发光增强,光敏三极管导通增强而内阻减小,流经DH321(3)脚电流增大,因DH321内部集成有电流型PWM(脉冲宽度调制)控制器,经过脉宽调整,使开关管导通时间变短,开关变压器储能减少,输出电压降低,从而达到稳定输出电压的目的。当输出电压降低时,稳压控制与上述过程相反。

由DH321组成的开关电源具有多种完善的保护措施。当市电电压升高或稳压控制电路失控造成输出电压升高时,开关奕压器(3)-(4)绕组上的电压也会升高,加至(2)脚的电压随之升高,当(2)脚电压超过19V时,内部过压保护电路启动,开关管截止,实现过压保护。当电源输入电压过低时,开关变压器(3)-(4)绕组上感应脉冲电压随之下降,DH321(2)脚的电压也相应降低,当(2)脚电压低于8V时,内部欠压保护电路启动,使开关管截止,超到欠压保护电路启动,使开关管截止,起到欠压保护作用。当电源过载时,DH321内部脉冲宽度控制器(PWM)输入端电压达到3V时,内部脉冲宽度控制器(PWM)输入端被切断,此时内部一个5UA电流源给DH321(3)脚外接电容C5充电,当C5两端电压充到6V时,内部电路关闭电源开关管的激励脉冲,电源开关管截止,实现过载保护。电源的过流保护电路以及电流取样检测电路均集成在DH321内部,当因某种原因致使流经DH321内部场效应开关管源极的电源增大时,DH321内部场效开关管源极取样检测电阻两端压降增大,当开关管源极电源增大到1.2A时,开关管源极取样检测电阻两端电压达到阀值电压,内部电压比较器动作,开关管的激励脉冲被关闭,开关管截止,电源停止输出。DH321内部还集成了过热检测器,当内部温度达到140°C时,过热保护电路动作,开关管的激励脉冲被关闭,开关管截止,实现了过热保护。此外,R1、C3、VD5组成消尖峰电路,吸收DH321内部开关管截止瞬间,开关变压器初级绕组产生的尖峰脉冲,达到保护开关管的目的。

检修思路

1、电源无输出电压

应先检查保险管FUSE是否熔断,如果保险管FUSE已熔断,则应检查电路中是否存在短路故障,重点检查桥式整流电路中四只二极管和滤波电容C1有无短路现象,排除短路故障更换保险管后再通电试机。通电测C1两端是否有300V电压,如果C1两端无300V电压,则应检查电源线、插座是否存在故障,抗干扰电路中电感线圈是否已开路。如C1两端有300V电压则说明抗干扰、整流、滤波电路正常,只是主变换电路有故障而未启动,应先检查DH321外围电路元件是否损坏,如DH321外围电路元件未发现异常,再更换DH321试之。

2、各组电源输出电压普遍偏高或偏低。

此类故障多为电压取样、稳压电路中元件异常所致,应检查IC2(PC817)和IC3(KA431)相关联电路各元件有无损坏。

3、单路电源输出电压异常。

某一路电源电压不正常,直接检查该支路整流二极管、滤波电容、电感等元件有无损坏。

DH321是仙童公司(FAIRCHILD)开发的最新单片低功耗离线式开关电源集成电路,电源电压输出控制方式是电流型脉宽调制(PWM),有“绿色芯片”之称。其内部集成有击穿电压为650V的“敏感型”场效应功率开关管、高压启动电流源、固定频率振荡器、内部偏置电路、软启动电路、脉冲前沿闭锁电路、过压保护电路、欠压保护电路、过载保护电路、异常过流保护、过热保护电路、自动重启动电路等,由其构成的开关电源具有适应市电范围宽、效率高、功耗低、电磁辐射小、电路简洁等优点。它特别适合制作成本低、微型化的小功率开关电源.应用十分广泛。下面以一款广州产e-Haier牌961型DVD机开关电源为例,对其原理进行分析。附图为该机开关电源原理图。

一、电源的启动及输出过程

交流220V市电经电源开关SW1和保险管F1送到由L1和C3组成的具有双向滤波特性的电源滤波器。该滤波器既可滤除电网中的高频干扰信号,又可抑制本机开关电源产生的高频开关干扰信号对电网的污染。经过滤波后的220V交流电经D1~D4组成的桥式整流电路整流及C4滤波后,产生300V左右的直流电压。

整流滤波后得到的300V直流电压一路经过开关变压器初级①~②绕组加到Ic1的⑥、⑦、⑧脚内部的“敏感型”场效应开关管漏极:另一路直接加到IC1的⑤脚,通过内部高压启动电流源对IC1②脚外接电容C6充电。随着充电的进行,②脚电压上升.大约15ms后(由于DH321内部集成有电源软启动电路,该时间为内部软启动电路的电源启动延迟时间),当②脚电压上升到大于12V时,高压电流源的供电立即自行切断。内部各功能电路开始正常工作,此时开关管进入正常开关状态。电路起振后,改由开关变压器③-④绕组产生的感应脉冲电压经D6整流.R2限流及C6滤波后所产生的约14V直流电压为IC1②脚供电。只要②脚电压不低于8V,电路就将锁定在正常工作状态。当②脚电压低干8v时。高压启动电流源的供电立即接通,为IC1②脚外接电容充电,只有当②脚电压回升到大于12V时,IC1内部自动重启动电路作用,实现电源的自动重启动(由于IC1内部集成了高压启动电流源,因而无需外加启动电路,简化了外围电路)。

电源工作后,开关变压器两个次级绕组上会不断产生高频脉冲电压,⑥一⑦绕组上的脉冲电压经D8整流,C10滤波后,输出l2V直流电压。⑤一⑥绕组上的脉冲电压经D9整流,经C11、L2、C13、C14组成的π型滤波器滤波后.输出5V直流电压。

二、稳压过程

稳压电路主要由IC1、光电耦合器IC2(PC817)、基准电路ZD1(3.9V)组成。稳压过程如下:当因某种原因导致输出电压升高时,5V输出电压也会升高。由于ZD1两端电压为固定的3.9V,因此,光敏二极管两端电压会相应升高,光敏二极管发光增强,光敏三极管导通增强而内阻减小,流过IC2的④~③脚的电流增大,即流经Ic1的③脚电流增大,因IC1内部集成有电流型PWM(脉冲宽度调制)控制器,IC1的③脚内电路对反馈电流特别敏感。IC1内部脉宽控制电路通过脉宽调整.使开关管导通时间变短,开关变压器储能减少,输出电压降低,从而达到稳定输出电压的目的;输出电压降低时其稳压控制与上述过程相反。

三、保护电路

1.过压保护当电网电压升高或稳压控制电路失控造成输出电压过高时,开关变压器③-④绕组上的电压幅度也会相应升高.经D6整流,C6滤波后加Ic1②脚的电压也相应升高。当②脚电压幅度超过19V时,IC1内部过压保护电路启动,开关管截止,实现过压保护。

2.欠压保护当电源输入电压

过低时,开关变压器③-④绕组上的感应脉冲电压幅度也将随着降低,经D6整流,c6滤波后加到Ic1②脚的电压也相应降低。当②脚电压『氐于8V时,IC1内部欠压保护电路启动,使电源功率开关管截止,起到了欠压保护的目的。一旦出现欠压保护.IC1内部高压启动电流源将接通,为ICl②脚外接电容充电,只有当②脚电压回升到l2V时,在IC1内部自动重启动电路作用下整个电源电路才能重新恢复正常工作

3.过载保护这是一种延迟型

保护电路,可以避免瞬间过载引起保护电路误动作。当因过载引起DH321内部脉冲宽度控制器(PWM)输入端电压达到3V时,内部脉冲宽度控制器(PWM)输入端将被切断,此时内部一个5μA电流源给IC1③脚外接电容c7充电,当c7两端电压充到6V时(该充电时间即为延迟过载保护时间),内部电路关闭电源开关管的激励脉冲,电源开关管截止,实现过载保护。

4.过流保护电源的过流保护

电路及电流取样检测电路均集成在IC1内部。当因某种原因致使流经IC1内部场效应开关管源极(SOURCE)的电流增大时.IC1内部场效应开关管源极取样检测电阻两端压降增大,当开关管源极电流增大到l.2A时,开关管源极取样检测电阻两端电压达到阈值电压,内部电压比较器动作,开关管的激励脉冲被关闭,开关管截止,电源停止输出。

5.过热保护IC1内部集成有过热检测器。当IC1内部温度达到140℃时,过热保护电路动作,开关管的激励脉冲被关闭,开关管截止.实现过热保护。

另外,由C5、R3、D5组成开关管漏极尖峰脉冲吸收电路.用来吸收IC1内部开关管在截止瞬间,开关变压器初级绕组上产生的尖峰脉冲.达到保护开关管的目的。

四、维修资料

DH321为8脚双列直插式(SNP)封装,其引脚功能及实测数据详见表1。

与DH321功能相同,能直接互换的还有几种其他型号的集成电路,详见表2。表中集成电路相互代换时要注意功率余量和使用条件,应用功率大的代功率小的,否则容易损坏。

五、维修实例

[例1]大多数时间不能开机,偶尔能开机一次.但激光头一直往外跑.直到打齿:即使未放入光盘主轴电机也转动不停。

检测电源输出电压,能开机时12V输出为8.6V,5V输出为3.2V,不能开机时,12V及5V输出均为0v。判断故障在电源电路。测量整流滤波后的300V电压正常,Ic1的⑤脚和⑥、⑦、⑧脚电压也正常,而②、③脚电压为0V。检查12V、5V输出端无短路现象,IC1的②脚外围元件D6、R2、C6均正常。检测光电耦合器IC2及稳压二极管ZD1正常,但当焊下C7检测时,发现已严重漏电。用万用表R×10k挡检测已接近短路,更换C7后故障排除。

[例2]不能开启电源。

测量l2V及5V输出均为0V,IC1⑤脚及⑥、⑦、⑧脚300v电压正常,②、③脚电压为0V。排查IC1的外围元件无明显异常,判断集成电路IC1(DH321)损坏。当无意间用万用表50V电压挡测②)脚对地电压时,误将IC1⑥、⑦、⑧脚当作地,黑表笔接在了⑥、⑦、⑧脚的位置,此时却意外地发现电源启动了。移开万用表表笔.电源也正常,但关闭电源后重新开启电源,电源又不能启动了。再次将万用表50V挡接在Ic1②脚和⑥、⑦、⑧脚间,电源又能启动。判断IC1内部启动电路损坏.试用一500kΩ电阻连在IC1②~⑤脚间,经反复试机,均工作正常。


DH321(Q100)单片低功耗开关电源电路 低功耗电路的设计方法

  

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