inverter架构

第四章 INTERVER部分电路分析

Inverter即逆变器，又叫电压升压板。它是专为Panel的背光灯提供工作电源的。Panel用的背光灯采用的是冷阴极荧光灯管（CCF），该灯管的工作电压很高，正常工作时的电压为600～800V，而启动电压则高达1500～1800V，工作电流则为5～9mA。因此Inverter需要有如下功能：

1. 能够产生1500V以上的高压交流电，并且在短时间内迅速降至800V左右，这段时间约持续1-2S，电压的曲线如图4-1所示；

图4-1 Inverter输出电压变化波形

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2. 由于Inverter提供电流的大小将影响冷阴极荧光灯管的使用寿命，因此输出的电流应小于9mA，需要有过流保护功能；

3. 出于使用的考虑，要有控制功能，即在显示暗画面的时候，灯管不亮，该控制信号可以由主板上的MCU或GmZan1提供；

Inverter是一种DC TO AC的变压器，它其实与Adapter是一种电压逆变的过程。Adapter是将市电电网的交流电压转变为稳定的12V直流输出，而Inverter是将Adapter输出的12V直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了目前用得比较多的脉宽调制（PWM）技术，其核心部分都是一个PWM集成控制器，Adapter用的是UC3842，Inverter则采用TL5001芯片。TL5001的工作电压范围3.6～40V，其内部设有一个误差放大器，一个调节器、振荡器、有死区控制的PWM发生器、低压保护回路及短路保护回路等。以下是TL5001的引脚定义：

Pin1：脉冲电压输出端； Pin2：电源供电端；

Pin3：内部误差放大器输出端； Pin4：反馈电压输入端；

Pin5：过流（短路）保护端； Pin6：死区（过压）保护端；

Pin7：振荡输入端； Pin8：接地端。

TL5001的输出同样可以用于驱动MOS开关管工作。附图3为Inverter工作电路图。以下

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将对Inverter的工作原理进行简要分析。

1. Inverter工作原理框图

图4-2为Inverter工作原理框图：

图4-2 Inverter工作原理框图

2. Inverter输入接口部分：

Inverter输入部分有3个信号它们分别为：12V直流输入VIN、工作使能电压ENB及Panel电流控制信号DIM。其中12V直流由Adapter提供；ENB电压由主板上的MCU提供，其值为0或3V，当ENB=0时，Inverter不工作，而ENB=3V时，Inverter处于正常工作状态；而DIM电压由主板提供，其变化范围在0～5V之间，将不同的DIM值反馈给PWM控制器反馈端，Inverter向负载提供的电流也将不同，DIM值越小，Inverter输出的电流就越大。

3. 电压启动回路：

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图4-3的电路是常用的电源控制回路，由一个PNP和一个NPN管组

图4-3 电源控制回路

成，它有两个工作阶段：第一阶段，当ENB电压为低电平（0V）时，Q1管处于截止状态，因此Q2管也截止，此时Q2管C集上的直流电压不能加到IC1（TL5001）的Pin2输入端，所以IC1因无输入而不工作，Pin1就无输出脉冲，因此整个Inverter就不工作；第二阶段，ENB为高电平，此时Q1管饱和导通，Q2管B极被拉低，因Q2为PNP管，且其C集上加有12V的直流电压，故Q2导通，12V电压加至IC供电脚Pin2，启动IC工作，IC1就有脉冲输出去控制开关管工作，整个Inverter就处于正常工作状态，输出高压去点亮Panel的背光灯灯管。

4. TL5001PWM控制器简介：

图4-4为TL5001的内部原理图。

⑴ 内部参考电压：

由直流供电VCC产生的2.5V基准电压用于向内部电路提供电源，并且作为误差放大器和过

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流保护比较器提供比较的基准电压。经过衰减器产生的1V基准电压输入到误差放大器的同相输入端，作为误差放大器的比较电压。

⑵ 误差放大器：

误差放大器将一个DC-DC的输出电压同1V的参考电压进行比较并产生一个误差信号提供给PWM比较器。直流变换器的输出电压是通过选择误差放大器的外接电阻（如图4-5），由下式可计算出：

图4-4 TL5001内部原理图

R1V01R12V 4-1

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误差放大器的输出电压在Pin3的COMP端输出，用于补偿直流变换控制环的稳压效果。因为放大器的输出只能提供45 A的电流，而总的直流负载却有100kΩ或更多。

图4-5 误差放大器工作原理图

⑶ 振荡器和PWM：

振荡器的频率可以通过在Pin7的RT端与GND之间串接一个电阻来设置的，其范围是20～500kHz，因此电阻的取值范围应在15～250kΩ之间。如附图3中的R6。

振荡器的输出是一个三角波电压，其最小值为0.7V，最大值1.3V。脉宽调制比较器将误差放大器的输出和死区控制（DTC）输入与三角波电压进行比较。当三角波电压比这两个电压中较小的那个大时就关闭晶体管的输出。

⑷ 过压保护：

在Pin6的DTC端提供了一个限制输出转换占空比的方法。在该端与地之间接一个电阻，这

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样在DTC端就可以得到一个死区参考电压，它与振荡器输出的三角波电压进行比较。当该电压等于或小于0.7V时，输出的占空比为0%；如果该电压大于或等于1.3V时，输出的最大占空比为100%。

⑸ 欠压保护：

当输入电压过低时，欠压保护电路将关闭输出晶体管的输出以及当输入电压低于3V时，将复位短路保护电路。

⑹ 短路保护（SCP）：

TL5001内部有一个短路保护回路，当转换器的输出发生短路时，它将切断电源，当SCP回路处于工作状态时，它将阻止开关打开直到内部电路被复位。可以通过用减少输入电压直到欠压电路起作用或通过外部拉低SCP端。以下是SCP回路工作原理：

当发生短路时，误差放大器在COMP端的输出提高以增加电源转换占空比，试图适应输出电压。当COMP达到1.5V时，SCP比较器1就开始启动RC计时电路。如果短路在一定的时间内消除，误差放大器的输出将降到1.5V以下，整个电路开始正常的转换工作；如果在这段时间内短路继续存在。计时器将启动自锁电路，并关闭输出晶体管。（如图4-6）

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图4-6 TL5001内部短路保护电路

改变连接在SCP脚和地之间的Cscp的大小，可以改变计时器工作的时间，该电容通过一个185kΩ的Rscp电阻向2.5V端产生一个185mV的初始电压时，该电路开始工作，当电容的电压达到1V时，计时完毕，这时SCP比较器2的输出拉高，导通Q2管，关闭计时电路。通过以下等式可以设置计时电路工作的时间：

VSCP2.50.1851et/0.185 4-2

其中RSCPCSCP

计时时间tSCP是VSCP1V时的计时时间。而

CSCP12.46tSCP 4-3

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其中tSCP的单位是秒，电容的单位是uF。

tSCP要比转换器的上升时间来得大，一般是10～15倍，否则的话电路将不启动。

⑺ 输出晶体管：

TL5001的输出级是一个集电极开路的晶体管，其最大的工作电流为21mA，电压为51V。在以下情况下晶体管才会有输出：振荡器的三角波电压低于DTC和误差放大器的输出电压；欠压电路不处于工作状态；短路电流保护电路不处于工作状态。

5. 直流变换

由MOS开关管和储能电感L1及D1组成了电压变换电路，TL5001输出的脉冲经过Q4、Q5组成的推挽放大器放大后驱动MOS管做开关动作，使得直流电压对L1进行充放电，这样就从L1的另一端输出了如图4-8的交流电压：

图4-8 L1输出电压波形（ƒ=101.5KHz）

由于电路中的MOS开关管Q3采用P沟道场效应管，因此当U1输出脉冲为低电平时对L1进行充电，高电平时Q3截止，L1放电。Q3输出的脉冲波形如图4-9。图中的Q4、Q5组成的

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推挽放大电路是起放大作用，由于U1输出脉冲的电流较小，不能直接驱动MOS管Q3工作，因此必须加上放大电路加以放大。过压保护电路：

利用TL5001的DTC死区控制电路可以组成一个过压保护电路，其工作原理（如图4-10）：当L1输出电压过高时，当它超过D2管的稳压值9.1V

图4-9 Q3输出电压波形（ƒ=189KHz）

时，D2管将会被击穿，使得Q6管导通，这样就把U1的Pin6脚DTC的电压拉低，使得其电压值低于0.7V，内部死区控制电路就关闭输出晶体管的输出。

图4-10 过压保护电路

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6. LC振荡及输出回路：

C9和PT1初级线圈组成LC振荡，Q7、Q8组成PUSH-PULL回路，它们处于交替工作状态，R13、R14、R15、R16为启动电阻。如图4-11为其工作波形。由图中可以看出Q7、Q8的输出电压在PT上迭加通过LC振荡就产生了高压正弦交流电输出。

在输出方面，C10、C11为耦合分压电容。当负载的Panel灯管未点亮时，输出回路没有导通，由PT1产生的1600V的高压电通过电容耦合作用加在负载两端，这样就满足了冷阴极荧光灯的启动条件，荧光灯被点亮。此时输出回路导通，有电流流过电容，由于电容有阻抗存在，因此电容两端就产生了压降，选择电容的参数值就可以使通过电容衰减后加在负载两端的电压变为800V左右的工作电压。

7． 输出电压反馈：

当负载工作时，在R17、R18两端有交流电压存在，该电压经过D3、C12整流滤波后，得到一个直流的采样电压。将该电压反馈给TL5001的Pin4端，用于反馈控制TL5001输出脉冲的占空比，达到稳定Inverter输出的作用。

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图4-11 LC振荡电路工作波形（ƒ=50.6KHz）

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