基于FSDM0265RNB的機頂盒開關電源與檢修

摘要：FSDM0265RNB是美國飛兆半導體公司推出的單片開關電源集成器件，它將PWM控制系統的全部功能集成到了一塊器件中，介紹該器件的功能特點，詳細分析基于該器件實現的機頇盒開關電源原理，并分析了檢修實例。
關鍵詞：電力電子技術；開關電源(SMPS)；脈沖寬度調制(PWM)；機頇盒(STB)

1 引言
??? 中、小功率開關電源實現單片集成化一直是各器件生產廠商的發展目標，FSDM0265RNB是飛兆半導體公司的單片低功耗離線式開關電源集成電路。結合檢修機頂盒開關電源的實例，詳細分析該集成器件的性能特點和應用原理。

2 FSDM0265RNB簡介
??? 圖1為FSDM0265RNB內部功能框圖，它將PWM控制器、功率開關管及其驅動電路、高壓啟動電路、保護電路等集成在一個器件中。該器件在電路設計上有許多獨特之處，有“綠色器件”之稱，其主要性能特點如下：
??? 集成有擊穿電壓為650 V的抗雪崩“敏感場效應管(Sense FET)”，內置上電啟動電路；
??? 集成了過壓(OVP)、過載(OLP)和過熱等保護功能；
??? 開關頻率典型值為67 kHz，占空比調節范圍是O％～67％，調制可降低EMI；
??? 超低待機功耗自動間歇工作方式；
??? 內置軟啟動電路和自動重新啟動電路；
??? 具有遲滯回差的欠壓鎖定(UVLO)電路(啟動、欠壓閾值電壓典型值分別為12 V和8 V)。
??? 基于器件的上述特點，由其實現的開關電源電路的外圍電路較簡單，只需外接交流整流濾波電路、高頻變壓器、反饋電路、初級箝位保護電路和次級輸出電路，特別適合制作小功率高性價比的開關穩壓電源，可廣泛用作機頂盒、DVD機、打印機、傳真機、掃描儀、攝錄像機等設備的電源。
??? 該器件采用DIP-8封裝，引腳1為接地端，引腳2為電源端，引腳3為反饋輸入端，引腳4為開關管極限電流調整端，引腳5為肩動電壓輸入端，引腳6～8為內部開關管漏極。

3 機頂盒開關電源工作原理
??? 圖2為DVB-C2000機頂盒開關電源原理圖，核心器件是飛兆半導體公司的FSDM0265RNB，采用典型的單端反激式設計方案，有5路直流電壓輸出，分別為31 V，±12 V，5 V和3.3 V。

3．1 電路啟動與電壓穩定輸出
??? 電源剛通電時，由于功率開關管等尚未工作，無正常輸出，因此必須借助啟動電路為器件提供工作電壓VCC，U1(FSDM0256RNB)內部集成高壓電流源上電啟動電路，220 V交流市電經整流濾波后得到的300 v直流電壓，一路從U1的引腳5直接加到啟動電路，通過內部高壓啟動電流源給引腳2的外接電容C5充電。當VCC上升至啟動閾值電壓12 V并經過15 ms軟啟動時間后，欠壓鎖定電路(UVLO)立即切斷高壓電流源的供電，內部偏置電路接通，器件轉入正常工作，一旦功率開關管進入正常開關狀態，自饋繞組3-4上所建立的高頻感應脈沖電壓經VD6、C5整流濾波后，就作為器件工作電壓，至此，啟動過程自動結束。電路正常工作后，各次級繞組上建立的高頻感應脈沖電壓，分別經整流濾波后輸出不同的電壓，為后續主板電路提供工作電壓。
??? 電路工作中，只要U1引腳2的電壓不低于欠壓閾值電壓8 V，電路就鎖定在正常工作狀態，一旦引腳2電壓低于8 V，UVLO關斷內部偏置電路，保護邏輯復位禁止開關管輸出，與此同時，高壓啟動電流源接通，再次為引腳2外接電容充電，當VCC回升到大于12 V時，器件又轉入正常工作，U1內部自動重啟動電路作用，實現電源的自動重啟。
??? 電路使用TL431與PC817光耦構成電氣隔離式穩壓反饋電路，由圖2可見，反饋信號取自V0主輸出，當某種原因導致輸出電壓V0升高時，經電阻R7、R8分壓取樣，TL431控制端電壓隨之升高，迫使TL431陰極電壓下降，經光耦反饋使U1引腳3的電流增加，再經U1內部PWM比較器減小占空比，縮短開關管導通時間，于是次級繞組儲能減小，使輸出電壓V0降低，反之亦然，總的效果是使輸出電壓V0保持穩定。
??? PSDM0265RNB屬于電流控制型脈寬調制器，功率管的電流峰限值可通過其引腳4的外接電阻來預設，該電路未接，按其數據手冊，IPK為1．5 A。該器件在功率輸出級的電路設計上也頗具特色，使用了被稱為“敏感場效應管(Sense FET)”的電流傳感式雙源極功率MOSFET，該MOSFET管兩源極S1、S2從設計上考慮，絕大部分漏極電流經S1到地，很小部分經S2流過檢測電阻RS到地，相比讓漏極電流全部流過檢測電阻的方案，減小了輸出級的功耗，提高了電源效率。另外，受高頻變壓器原邊繞組分布電容、副邊高頻整流管存在反向恢復時間等參數的影響．功率開關管每次開通時都會因尖峰電流的流過而在RS上形成尖峰電壓，有可能使電流控制模式PWM控制出現誤操作，為此，器件內部的前沿消隱電路可在功率管開通后封鎖PWM比較器一段短暫時間tLEB(最小值為200 ns)以克服上述參數的不利影響，保證開關電源的正常工作。
3．2 保護功能
??? 電源一旦出現過壓、過載或過熱等故障，該器件立即進入自動重啟動模式，功率開關管交替關斷或開通，直到故障消除，器件才脫離自啟動狀態，恢復正常工作，過載保護是一種延遲保護，可避免瞬間過載引起的OLP誤操作。發生過載時，經光耦反饋會引起FSDM0256RNB引腳3電壓升高，達到3 V時，U1內部二極管VD0被阻斷，此時僅內部5μA電流源給C4緩慢充電，充電達6 V時OLP動作，開關管截止，實現過載保護。C4電壓從3 V充到6 V的這段時間即為過載保護延遲時間，顯然C4的大小決定了這一時間的長短。
??? 過壓保護主要針對穩壓反饋環路出問題時，造成輸出電壓過高而損壞二次側元件。最嚴重的情況是流經光耦的電流為零，電路呈現“假過載”，此時功率管流過預設最大電流，在過載保護動作前，過多的能量反激到輸出使各路輸出電壓過高甚至超過外接器件額定值，為避免此情形發生，當引腳2電壓幅度超過19 V時，該器件內部過壓保護電路啟動，開關管截止，實現過壓保護。
??? 該器件內部集成有過熱檢測器，當器件內部溫度達到140℃，過熱保護電路動作，開關管截止，實現過熱保護。由C3、R2、VD5組成的初級保護電路，用來吸收該器件內部開關管截止瞬間，因高頻變壓器初級繞組存在漏感而產生的尖峰電壓，保護內部的功率開關管。

4 開關電源故障檢修
??? 故障現象：機頂盒開機后，顯示窗口的紅燈有規律閃動，4位數碼管閃動顯示8888，綠燈不亮，經過很長時間后機器才正常工作。
??? 故障檢修：從故障現象看，初步懷疑是電源供電問題，為了排除后續主板發生故障的可能性，先拔掉開關電源板與主板連接的排捕，通電后測量主輸出電壓K0，發現只有1 V左右，而且讀數跳動，V1為9～lO V。結合整理到的電路原理圖和后續主板所用電源電壓分析斷定問題就m在電源，且與主輸出和反饋電路有關．決定從易壞的電解電容入手，經仔細觀察發現有幾個電解電容的頂部突起，幾經替換，最終確定故障是電容C8漏電所致。

5 結語
??? 機頂盒是常見的家用電器，不用時遙控關機可能是大多數人的習慣，殊不知機器內部的開關電源一直處于工作狀態，長期如此，電路元器件會因長時間工作而老化以致引發故障(如電解電容漏電失效)，所以不用時要養成切斷電源的習慣。