В статье подробно рассматривается схемотехника блока питания ЖК телевизоров SAMSUNG на основе интегрального модуля F9222L фирмы Fuji Electric Device Technology
Специалисты по ремонту телевизоров с большим стажем наверняка помнят, что первые интегральные модули в управляющих цепях блоков питания появились еще в ЭЛТ телевизорах SAMSUNG примерно 15 лет назад. Они имели обозначение HIS и доставляли ремонтникам немало хлопот - если модуль выходил из строя (он имел низкую надежность), ему трудно было найти замену. Энтузиасты-электронщики быстро среагировали на запросы рынка, в буквальном смысле "взломали" модуль и предложили его аналог, выполненный на дискретных элементах. SAMSUNG не отступает от своих новаторских традиций и в настоящее время. Сильнейшая конкуренция на рынке ТВ техники и поиск более дешевых и эффективных решений снова привели к применению интегральных модулей в силовых цепях телевизоров. На рис. 1 приведен внешний вид блока питания ТВ SAMSUNG типа BN96-03057А на основе интегрального модуля F9222L (ICM801S) из семейства M-Power2 фирмы Fuji Electric Device Technology. Такой блок питания применяется в 32-дюймовых LED-телевизорах (со светодиодной подсветкой ЖК панели) "Samsung LE32R71B/LE32M71BX/LE32R72B", а также в моделях для рынков Европы и Азии "LN32B530P7FXZA/ LNS3238DX/LNS3238DX/ LNS3241DX/LNS3251DX/ LNS3252DX". Электрические параметры блока питания приведены в таблице 1.
Рис. 1. Внешний вид блока питания BN96-03057А
Таблица 1. Электрические параметры блока питания BN96-03057А
Выходное напряжение, В | Номинальный ток нагрузки, А |
24 | 5 |
13 | 0,3 |
12 | 0,5 |
6 (дежурное питание) | 0,5 |
5,4 | 4 |
На рис. 2 и 3 (см. здесь) приведена принципиальная электрическая схема блока питания BN96-03057А.
Схема состоит из корректора коэффициента мощности (ККМ), дежурного источника (см. рис. 2) и основного или силового источника (рис. 3). Основой последнего узла является интегральный модуль F9222L (ICM801S). Вначале коротко рассмотрим схему ККМ и дежурного источника, а затем, более подробно, схему основного источника.
Корректор коэффициента мощности
Корректор коэффициента мощности (ККМ) минимизирует индуктивную составляющую нагрузки источника с целью увеличения его КПД и уменьшения импульсных помех, создаваемых этим источником. Иначе говоря, он корректирует форму потребляемого источником тока, приближая его к той, которая возникает при подключении к сети чисто активной нагрузки.
Этот узел выполнен на основе специализированного контроллера ККМ типа TDA4863 (IC801S на рис. 2) фирмы INFINEON. Схема работает в режиме прерывистого тока и представляет собой повышающий конвертор (Boost topology). Микросхема TDA4863 содержит широкополосный усилитель напряжения (используется в петле обратной связи), квадрантный множитель с широким линейным диапазоном, токовый компаратор, детектор нулевого тока, ШИМ со схемой логики и тотемный выходной MOSFET-драйвер. ИМС выпускается в корпусах DIP-8 и DSO-8.
Особенности ИМС:
- высокий коэффициент коррекции мощности (около 1);
- повышающий конвертор с активным фильтром подавления гармоник тока для снижения помех;
- низкие потребляемый ток (4...6 мА) и ток запуска (20...100 мкА);
- детектор нулевого тока для режима прерывистого тока;
- защита от перенапряжения на выходе и от низкого напряжения питания ИМС (<10 В);
- внутренний таймер запуска;
- выходной тотемный MOSFET-драйвер.
Назначение выводов TDA4863 приведено в таблице 2.
Таблица 2. Назначение выводов TDA4863
Номер вывода | Обозначение | Описание |
1 | F/B | Инвертирующий вход усилителя напряжения ошибки, подключается через резистивный делитель к выходу конвертора |
2 | COMP | Выход усилителя напряжения ошибки. Внутри ИМС подключается к 1-му входу умножителя |
3 | M/I | 2-й вход умножителя, через резистивный делитель подключается к выходу сетевого выпрямителя |
4 | CS | Вход контроля тока через силовой MOSFET-транзистор |
5 | Z/D | Вход детектора нулевого тока в индукторе |
6 | GND | "Земля" |
7 | DRV | Выход тотемного драйвера |
8 | VCC | Напряжение питания ИМС 12...16 В |
В рассматриваемом блоке ИМС включена по типовой схеме и питается от стабилизатора 15 В на элементах QS82, ZDS805, входящего в состав дежурного источника. ККМ работает только в рабочем режиме телевизора, поэтому питающее напряжение стабилизатора коммутируется ключом на транзисторе QS801, управляемым сигналом PWR-ON/OFF через узел гальванической развязки от первичной цепи QS851 PC801S.
На выходе ИМС (выв. 7) формируются управляющие импульсы с уровнями 1...2 В (лог. "0") и 10,8 В (лог. "1"), которые подаются непосредственно на затвор силового MOSFET-транзистора QP801 типа STP20NM60 (N-канальный, VD=600 В, ID=20 А, RDSon=0,25 Ом (при VGS=10В, ID=10A)). Нагрузкой этого транзистора является накопительный дроссель LP801, имеющий дополнительную обмотку - токовый датчик, подключенный к детектору нулевого тока в составе ИМС (выв. 5). Во время открытого состояния силового ключа энергия накапливается в дросселе LP801, а после его запирания напряжение ЭДС дросселя включается последовательно с выпрямленным сетевым напряжением и через диод DP802 заряжает накопительный конденсатор CP803. В результате на нем формируется постоянное стабилизированное напряжение около 400 В, которое используется дежурным и основным источниками питания. Напряжение обратной связи формируется резистивным делителем RP809-RP814, подключенным к выходу ККМ, и подается на вход компаратора ошибки F/B (выв. 1).
Дежурный источник питания
Дежурный источник реализован по схеме импульсного DC/DC-преобразователя на основе ШИМ контроллера VIPER22A (ICS801S на рис. 2) фирмы STMicroelectronics. Источник на основе такой ИМС в корпусе DIP позволяет получить выходную мощность до 20 Вт при напряжении питания 195...220 В. Особенности ИМС VIPER22A:
- фиксированная ключевая частота 60 кГц;
- широкий диапазон напряжения питания 9...38 В;
- режим токового управления;
- интегрированный силовой MOSFET-транзистор;
- блокировка ИМС при низком напряжении питания с гистерезисом (VDDoff=8 В , VDDon= 14,5 В);
- высоковольтный источник тока для запуска ИМС;
- защита от перенапряжения, токовой перегрузки на выходе и термозащита (170°С) с перезапуском.
Параметры встроенного MOSFET-транзистора: VDS=730 В, ID=0,7 А, RDSon=15 Ом (при ID=0,4 А), tf=100 нс, tr=50 нс, CDS=40 пФ.
Диапазон входного напряжения усилителя напряжения ошибки (вход FB, выв. 3) составляет 0.1 В. Ток силового ключа ограничен на уровне 0,7 А за счет внутреннего подключения токового датчика в цепи ключа, формирующего сигнал блокировки, к усилителю напряжения ошибки.
ИМС запускается внутренним высоковольтным источником тока, подключенным непосредственно к сетевому выпрямителю через выв. 5-8 (DRAIN), а после этого питается через выв. 4 (VDD) от дополнительной обмотки 4-5 импульсного трансформатора TS801S.
Нагрузкой силового ключа является обмотка 1-2 TS801S.
Вторичное напряжение источника 6 В (ST-BY6.0V) контролируется цепью обратной связи из прецизионного управляемого стабилизатора ZDTS851 (KIA431A) и оптрона PC805S (TLP421). Ток через стабилизатор ZDTS851 зависит от выходного напряжения источника, что влияет на ток светодиода оптрона PC805S. Поэтому проводимость фототранзистора оптрона изменяется, а ввиду того, что он включен между источником питания ИМС и входом обратной связи FB, напряжение на этом входе также меняется. ИМС отрабатывает ошибку изменением ширины управляющих импульсов ШИМ, что приводит к стабилизации выходного напряжения источника.
Основной источник питания
Рис. 4. Блок-схема модуля F9922L
Этот узел (см. рис. 3) выполнен по схеме резонансного DC/DC-преобразователя с мультитактовым управлением силовыми ключами на основе интегрального модуля ICM801S типа F9922L. Он формирует из постоянного напряжения 400 В постоянные стабилизированные и гальванически развязанные от сети напряжения 24, 13, 12 и 5,4 В для питания всех узлов телевизора в рабочем режиме. Модуль F9922L (см. блок-схему на рис. 4) состоит из микросхемы ШИМ контроллера (IC на рис. 3) и двух мощных N-MOSFET-транзисторов (Q1, Q2). Источники на основе модулей такого типа носят фирменное название Multi-oscillated current resonant circuit (MOCRC). Принцип работы такой схемы (см. блок-схему на рис. 5) заключается в том, что верхнее плечо полумос-товой схемы (Q2 на рис. 5) работает в автоколебательном режиме, а нижнее плечо (Q1) управляется сигналом, формируемым ШИМ контроллером (IC), причем ШИМ контроллер работает синхронно с автоколебательной схемой. Источник подобного типа имеет, по сравнению с традиционным резонансным источником, следующие преимущества:
- более высокий КПД;
- встроенный дежурный режим (при Pвx<0,4 Вт Pвыx=0 Вт; при Pвх<1,0 Вт Pвых=0,5 Вт; при Pвx<4,0 Вт Pвыx=2 Вт);
- низкий уровень создаваемых помех (за счет того, что MOSFET-ключи включаются по сигналу ZVS+ZCS (нулевое напряжение и нулевой ток), а выключаются по сигналу ZVS). Осциллограммы сигналов источника питания с характеристиками Vвx=400 В, Vвых=16 В, Pвыx=65 Вт), приведены на рис. 6.
Рис. 5. Блок-схема резонансного DC/DC-преобразователя
Рис. 6. Осциллограммы сигналов источника питания MOCRC (см. рис. 5): а - на электродах MOSFET-транзисторов Q1 и Q2 (VQ1, VQ2 - 500 В/дел., IQ1, IQ2 - 3А/дел.); б - на электродах диодов VD1 и VD2 (VD1, VD2 - 50 В/дел., ID1, ID2 - 10А/дел.)
Модуль F9922L выпускается в корпусе SIP-23 (см. рис. 6), в котором используется только 13 выводов (необходимо иметь в виду, что на рис. 3 приведена условная нумерация выводов модуля, а на рис. 7 - оригинальная нумерация в корпусе SIP-23). Назначение выводов модуля F9922L приведено в таблице 3, а основные характеристики - в таблице 4.
Рис. 7. Расположение выводов модуля F9222L в корпусе SIP-23
Таблица 3. Назначение выводов модуля F9922L
Номер вывода на рис. 3 | Номер вывода на рис. 7 | Обозначение | Описание |
1 | 4 | S1 | Исток MOSFET-транзистора (Q1) |
2 | 7 | VCC | Напряжение питания модуля 8,9...16,5 В |
3 | 8 | GND | "Земля" |
4 | 10 | VREF | Выход источника опорного напряжения 5 В/20 мА |
5 | 11 | COMP | Вход сигнала обратной связи для стабилизации выходного напряжения |
6 | 12 | CS | Вход схемы "мягкого" старта и стопа генерации для подключения времязадающего конденсатора |
7 | 13 | CB | Вход пакетного режима генерации |
8 | 14 | CON | Опорный тактовый сигнал для включения Q1 |
9 | 15 | STB | Вход включения дежурного режима/выход схемы-защелки аварийного выключения |
10 | 16 | VW | Вход детектора таймингов включения и выключения Q1 |
11 | 19 | D1, S2 | Сток Q1 и исток Q2 |
12 | 20 | G2 | Затвор Q2 |
13 | 23 | D2 | Сток Q2 |
Таблица 4. Основные характеристики модуля F9922L (VCC=19 В, TC=25 C)
Секция | Параметр | Обозначение | Режим измерения | Значение | Единица измерения | Точки контроля |
MOSFET-транзисторы | Напряжение пробоя "сток-исток" | BVDSS | ID=250 мкА, VGS=0 В | 500 | В | Q1: Выв. 19-4 Q2: Выв. 23-19 |
Пороговое напряжение затвора | VGS(th) | ID=250 мкА, VDS=VGS | 3,5...4,5 | В | ||
Ток стока постоянный | ID | - | 5,3 | А | ||
Ток стока импульсный | IDpulse | - | 21,2 | А | ||
Сопротивление открытого канала "исток-сток" | RDS(on) | ID=2,5 A, VGS=10 В | 0,5...0,6 | Ом | ||
Входная емкость | CISS | VDS=25 В, VGS=0 В, f=1 МГц | 1200 | пФ | ||
Выходная емкость | COSS | 170 | ||||
Время нарастания фронта импульса | tf | VD=400 В, VGS=10 В, ID=2,5 A, RGS=10 Ом | 10 | нс | ||
Время спада импульса | tr | 28 | ||||
Прямое напряжение диода | VSD | IF=10A, VGS=10 В | 1,0...1,5 | В | ||
ИМС ШИМ контроллера | Пороговое напряжение включения | VCC(ON) | - | 15,5...17,5 | В | Выв. 7-8 |
Пороговое напряжение выключения | VCC(OFF) | - | 7,9...9,9 | В | ||
Порог перенапряжения | VCCH(OFF) | - | 24...28 | В | ||
Потребляемый ток | ICC | F=75 кГц | 7,5...10,5 | мА | ||
Напряжение диода Зенера | VZ | ICC=10 мА | 30 | В | ||
Опорное напряжение | VREF | - | 4,7...5,3 | В | Выв. 10-8 | |
Вход CON (ШИМ) | Ток разряда | ION(DIS) | - | 6,5...11,7 | мА | Выв. 14-8 |
Ток заряда | ION(CHG) | - | 420...730 | мкА | ||
Амплитуда напряжения | VONLH | - | 2,7...3,7 | В | ||
Вход CB (генератор пакетного режима) | Ток разряда | IB(DIS) | - | 8,4...14 | мА | Выв. 13-8 |
Ток заряда | IB(CHG) | - | 40...64 | мкА | ||
Амплитуда напряжения | VBLH | - | 0,7...1,0 | В | ||
Вход CS (генератор рабочего режима) | Ток разряда | IS(DIS) | - | 79...131 | мкА | Выв. 12-8 |
Ток заряда | IS(CHG) | - | 83...139 | мкА | ||
Порог напряжения включения Q1 | VB2H | - | 0,63...0,79 | В | ||
Порог напряжения выключения Q1 | VB2L | - | 0,54...0,72 | В | ||
Вход STB (дежурный режим) | Напряжение включения | VSTBON | - | 0,85...1,35 | В | Выв. 15-8 |
Напряжение выключения | VSTBOFF | - | 2,75...3,45 | В | ||
Вход COMP (компаратор ошибки) | Напряжение выключения | VCOMP | - | 0,61...0,81 | В | Выв. 11-8 |
Ток источника | ICOMP | - | 0,65...1,25 | мА | ||
Вход ISNS (токовая защита) | Напряжение включения защиты | VOC | - | 0,83...0,97 | В | Выв. 4-8 |
Время защелкивания-выключения | tdLA | - | 0,07...0,13 | с | ||
Напряжение короткого замыкания | VSC | - | 1,2...1,8 | В |
В рассматриваемой схеме (рис. 2) управляющее напряжение на затворе встроенного транзистора верхнего плеча полумоста Q2 (выв. 12 IC801S) формируется из напряжения обмотки 5-6 импульсного трансформатора TM801S схемой на транзисторе DM801 и ограничительных стабилитронах DZM801, DZM802.
Управляющий сигнал для транзистора нижнего плеча полумоста Q1 в составе модуля формируется из напряжения обратной связи схемой на элементах ZDTM801, PC803S, контролирующей вторичное напряжение преобразователя 24 В. На входе компаратора ошибки модуля COMP (выв. 5) присутствует результирующее управляющее напряжение. Оно снимается с делителя QM803 RM808 PC803S, верхнее плечо которого подключено к опорному напряжению 5 В, а нижнее (фототранзистор оптрона PC803S) - к "земле". Из этого же управляющего напряжения с помощью схемы токового зеркала на сдвоенном транзисторе QM803 (см. структуру на рис. 8) формируется тактовый сигнал на входе модуля CON (выв. 8).
Рис. 8. Расположение выводов транзисторной сборки BVC62A в корпусе SOT143B
Из напряжения обмотки 7-8 TM801S формируется управляющий сигнал для детектора включения и выключения транзистора Q1 (вход VW, выв. 10). Питающее напряжение модуля 18,5 В (выв. 2) формируется дежурным источником - стабилизатором QS803 ZDS806 (рис. 1).
Вторичные цепи основного ИП особенностей не имеют, за исключением того, что напряжение 12 В формируется линейным стабилизатором ICM853 (KIA278R12: вход ON/OFF (выв. 4), защита от перегрузки и перегрева кристалла, Iвых=2 А), а напряжение 5,4 В - импульсным стабилизатором ICM852 (MC33167LTV: Iвых=5 А).
Напряжение 24 В используется для питания светодиодов задней (или краевой) подсветки ЖК панели. Оно вместе с управляющими сигналами схемы подсветки выведено на 14-контактные разъемы CNM802, CNM803 (обратите внимание: цоколевка этих разъемов не совпадает - с блоком питания могут использоваться разные типы модулей подсветки). Управляющие сигналы для схемы подсветки формируются микроконтроллером на графической плате - скалере, оттуда они поступают на разъем CNM804, а с него - на разъемы CNM802, CNM803.
Защита от перенапряжения на выходах основного источника выполнена на элементах DZS851 (6,2 В), DZS852 (27 В), QS852, PC802S (см. рис. 2). В аварийной ситуации (обрыв в цепи нагрузки, неисправность интегрального модуля F9922L) один или оба стабилитрона DZS851, DZS852 начинают проводить ток, которым открывается ключ на транзисторе QS852. Фототранзистор в составе оптрона PC802S также открывается и шунтирует входы стабилизаторов 15 и 19 В, от которых питаются контроллер ККМ и модуль F9922L. В результате эти узлы отключаются, и остается работать только дежурный источник.
Продолжение следует
Автор: Николай Елагин (г. Зеленоград)
Источник: Ремонт и сервис