基于FSDM0265RNB的机顶盒开关电源与检修

摘要：FSDM0265RNB是美国飞兆半导体公司推出的单片开关电源集成器件，它将PWM控制系统的全部功能集成到了一块器件中，介绍该器件的功能特点，详细分析基于该器件实现的机顸盒开关电源原理，并分析了检修实例。
关键词：电力电子技术；开关电源(SMPS)；脉冲宽度调制(PWM)；机顸盒(STB)

1 引言
    中、小功率开关电源实现单片集成化一直是各器件生产厂商的发展目标，FSDM0265RNB是飞兆半导体公司的单片低功耗离线式开关电源集成电路。结合检修机顶盒开关电源的实例，详细分析该集成器件的性能特点和应用原理。

2 FSDM0265RNB简介
    图1为FSDM0265RNB内部功能框图，它将PWM控制器、功率开关管及其驱动电路、高压启动电路、保护电路等集成在一个器件中。该器件在电路设计上有许多独特之处，有“绿色器件”之称，其主要性能特点如下：
    集成有击穿电压为650 V的抗雪崩“敏感场效应管(Sense FET)”，内置上电启动电路；
    集成了过压(OVP)、过载(OLP)和过热等保护功能；
    开关频率典型值为67 kHz，占空比调节范围是O％～67％，调制可降低EMI；
    超低待机功耗自动间歇工作方式；
    内置软启动电路和自动重新启动电路；
    具有迟滞回差的欠压锁定(UVLO)电路(启动、欠压阈值电压典型值分别为12 V和8 V)。
    基于器件的上述特点，由其实现的开关电源电路的外围电路较简单，只需外接交流整流滤波电路、高频变压器、反馈电路、初级箝位保护电路和次级输出电路，特别适合制作小功率高性价比的开关稳压电源，可广泛用作机顶盒、DVD机、打印机、传真机、扫描仪、摄录像机等设备的电源。
    该器件采用DIP-8封装，引脚1为接地端，引脚2为电源端，引脚3为反馈输入端，引脚4为开关管极限电流调整端，引脚5为肩动电压输入端，引脚6～8为内部开关管漏极。

3 机顶盒开关电源工作原理
    图2为DVB-C2000机顶盒开关电源原理图，核心器件是飞兆半导体公司的FSDM0265RNB，采用典型的单端反激式设计方案，有5路直流电压输出，分别为31 V，±12 V，5 V和3.3 V。

3．1 电路启动与电压稳定输出
    电源刚通电时，由于功率开关管等尚未工作，无正常输出，因此必须借助启动电路为器件提供工作电压VCC，U1(FSDM0256RNB)内部集成高压电流源上电启动电路，220 V交流市电经整流滤波后得到的300 v直流电压，一路从U1的引脚5直接加到启动电路，通过内部高压启动电流源给引脚2的外接电容C5充电。当VCC上升至启动阈值电压12 V并经过15 ms软启动时间后，欠压锁定电路(UVLO)立即切断高压电流源的供电，内部偏置电路接通，器件转入正常工作，一旦功率开关管进入正常开关状态，自馈绕组3-4上所建立的高频感应脉冲电压经VD6、C5整流滤波后，就作为器件工作电压，至此，启动过程自动结束。电路正常工作后，各次级绕组上建立的高频感应脉冲电压，分别经整流滤波后输出不同的电压，为后续主板电路提供工作电压。
    电路工作中，只要U1引脚2的电压不低于欠压阈值电压8 V，电路就锁定在正常工作状态，一旦引脚2电压低于8 V，UVLO关断内部偏置电路，保护逻辑复位禁止开关管输出，与此同时，高压启动电流源接通，再次为引脚2外接电容充电，当VCC回升到大于12 V时，器件又转入正常工作，U1内部自动重启动电路作用，实现电源的自动重启。
    电路使用TL431与PC817光耦构成电气隔离式稳压反馈电路，由图2可见，反馈信号取自V0主输出，当某种原因导致输出电压V0升高时，经电阻R7、R8分压取样，TL431控制端电压随之升高，迫使TL431阴极电压下降，经光耦反馈使U1引脚3的电流增加，再经U1内部PWM比较器减小占空比，缩短开关管导通时间，于是次级绕组储能减小，使输出电压V0降低，反之亦然，总的效果是使输出电压V0保持稳定。
    PSDM0265RNB属于电流控制型脉宽调制器，功率管的电流峰限值可通过其引脚4的外接电阻来预设，该电路未接，按其数据手册，IPK为1．5 A。该器件在功率输出级的电路设计上也颇具特色，使用了被称为“敏感场效应管(Sense FET)”的电流传感式双源极功率MOSFET，该MOSFET管两源极S1、S2从设计上考虑，绝大部分漏极电流经S1到地，很小部分经S2流过检测电阻RS到地，相比让漏极电流全部流过检测电阻的方案，减小了输出级的功耗，提高了电源效率。另外，受高频变压器原边绕组分布电容、副边高频整流管存在反向恢复时间等参数的影响．功率开关管每次开通时都会因尖峰电流的流过而在RS上形成尖峰电压，有可能使电流控制模式PWM控制出现误操作，为此，器件内部的前沿消隐电路可在功率管开通后封锁PWM比较器一段短暂时间tLEB(最小值为200 ns)以克服上述参数的不利影响，保证开关电源的正常工作。
3．2 保护功能
    电源一旦出现过压、过载或过热等故障，该器件立即进入自动重启动模式，功率开关管交替关断或开通，直到故障消除，器件才脱离自启动状态，恢复正常工作，过载保护是一种延迟保护，可避免瞬间过载引起的OLP误操作。发生过载时，经光耦反馈会引起FSDM0256RNB引脚3电压升高，达到3 V时，U1内部二极管VD0被阻断，此时仅内部5μA电流源给C4缓慢充电，充电达6 V时OLP动作，开关管截止，实现过载保护。C4电压从3 V充到6 V的这段时间即为过载保护延迟时间，显然C4的大小决定了这一时间的长短。
    过压保护主要针对稳压反馈环路出问题时，造成输出电压过高而损坏二次侧元件。最严重的情况是流经光耦的电流为零，电路呈现“假过载”，此时功率管流过预设最大电流，在过载保护动作前，过多的能量反激到输出使各路输出电压过高甚至超过外接器件额定值，为避免此情形发生，当引脚2电压幅度超过19 V时，该器件内部过压保护电路启动，开关管截止，实现过压保护。
    该器件内部集成有过热检测器，当器件内部温度达到140℃，过热保护电路动作，开关管截止，实现过热保护。由C3、R2、VD5组成的初级保护电路，用来吸收该器件内部开关管截止瞬间，因高频变压器初级绕组存在漏感而产生的尖峰电压，保护内部的功率开关管。

4 开关电源故障检修
    故障现象：机顶盒开机后，显示窗口的红灯有规律闪动，4位数码管闪动显示8888，绿灯不亮，经过很长时间后机器才正常工作。
    故障检修：从故障现象看，初步怀疑是电源供电问题，为了排除后续主板发生故障的可能性，先拔掉开关电源板与主板连接的排捕，通电后测量主输出电压K0，发现只有1 V左右，而且读数跳动，V1为9～lO V。结合整理到的电路原理图和后续主板所用电源电压分析断定问题就m在电源，且与主输出和反馈电路有关．决定从易坏的电解电容入手，经仔细观察发现有几个电解电容的顶部突起，几经替换，最终确定故障是电容C8漏电所致。

5 结语
    机顶盒是常见的家用电器，不用时遥控关机可能是大多数人的习惯，殊不知机器内部的开关电源一直处于工作状态，长期如此，电路元器件会因长时间工作而老化以致引发故障(如电解电容漏电失效)，所以不用时要养成切断电源的习惯。