開(kāi)關(guān)電源雷擊不良的改善

劉宇宇

（冠捷顯示科技（武漢）有限公司，湖北 武漢 430056）

0 引 言

隨著消費(fèi)類電子設(shè)備使用的增多，感應(yīng)雷或雷電波侵入造成的危害逐漸增加。一般建筑物的避雷針只能預(yù)防直擊雷，閃電依然能干擾到交流線，其強(qiáng)大電磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)雷和脈沖電壓可潛入室內(nèi)危及電腦、電視等用電設(shè)備。因此，設(shè)計(jì)防雷電路成為電源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。雷擊一般分為差模雷擊和共模雷擊，峰值電壓都在千伏級(jí)別。常見(jiàn)的電子設(shè)備危害不全是直接雷擊引起的，部分是由雷擊發(fā)生時(shí)電源和通信線路中感應(yīng)的電流浪涌引起的。一方面由于電子設(shè)備內(nèi)部高度集成化，造成設(shè)備耐壓和耐電流的水平下降，導(dǎo)致設(shè)備對(duì)雷電的承受能力也下降；另一方面由于信號(hào)路徑增多，系統(tǒng)較之前更易遭受雷電波侵入，如浪涌電壓可從電源線、信號(hào)線等竄入設(shè)備。

現(xiàn)有電視和顯示器等消費(fèi)類產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)電源多采用反激式架構(gòu)，控制核心為PWM驅(qū)動(dòng)芯片和開(kāi)關(guān)MOS管（Q1）。大量數(shù)據(jù)顯示，驅(qū)動(dòng)芯片和MOS管等零件在雷雨季節(jié)會(huì)出現(xiàn)明顯的不良現(xiàn)象，如芯片或MOS管燒毀等。

1 現(xiàn)有電源分析

1.1 工作原理

開(kāi)關(guān)電源的基本架構(gòu)，如圖1所示。該系統(tǒng)是利用時(shí)間比率控制（Time Ratio Control，TRC）方法控制穩(wěn)壓輸出。驅(qū)動(dòng)芯片通過(guò)輸出PWM信號(hào)控制MOS管（Q1）的導(dǎo)通[1]，并配合變壓器次級(jí)的二極管和電容，輸出穩(wěn)定的直流電壓。

圖1 開(kāi)關(guān)電源的基本架構(gòu)

1.2 功率MOS的本征電容

功率管不可避免地存在寄生電容，電容大小由功率管的結(jié)構(gòu)、材料和所加電壓決定。此電容與溫度無(wú)關(guān)，所以MOS的開(kāi)關(guān)速度對(duì)溫度不敏感。由于器件的耗盡層受電壓的影響，Cgs和Cgd的電容隨所加電壓的變化而變化。不同于Cgs受電壓影響很小，Cgd受電壓影響程度是Cgs的100倍以上[2]。

統(tǒng)計(jì)常用的4家供應(yīng)商的同一類型MOS產(chǎn)品，可對(duì)比各電容之間的關(guān)系，如表1所示。其中，輸入電容為Ciss=Cgs+Cgd；反向傳輸電容為Crss=Cgd；輸出電容為Coss=Cds+Cgd。

表1 各電容之間的關(guān)系表

圖2為一個(gè)從電路角度獲得的本征電容示意圖。由于MOS管的結(jié)電容Cgd、Cgs與R3組成了RC網(wǎng)絡(luò)，因此電容的放電將直接影響開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度和信耐性。R3過(guò)小，易引起振蕩，電磁干擾很大；R3過(guò)大，則降低Q1的開(kāi)關(guān)速度。寄生電容的存在導(dǎo)致R3或PWM驅(qū)動(dòng)芯片輸出端開(kāi)路時(shí)，Q1的柵極端產(chǎn)生一個(gè)電壓Vgs（dv/dt）。當(dāng)Vgs高于Q1的柵極導(dǎo)通門檻電壓Vth時(shí)，Q1將持續(xù)導(dǎo)通，造成變壓器T1初級(jí)主繞組飽和，一側(cè)電流急劇增加，導(dǎo)致MOS管的功耗迅速上升，本體將因電流過(guò)大而燒毀。

為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，一般的電源設(shè)計(jì)會(huì)在開(kāi)關(guān)MOS的柵極與地之間增加一個(gè)電阻Rg，組成Cgs柵極電荷泄放回路，從而確保柵極開(kāi)路時(shí)MOS管不被損壞。市場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，雷雨季節(jié)時(shí)仍經(jīng)常出現(xiàn)控制芯片擊穿或MOS燒毀的不良現(xiàn)象。大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，L/N對(duì)PE放電超6 kV時(shí)，將會(huì)存在芯片和MOS損壞的情況，可認(rèn)為是雷擊電流對(duì)線路的破壞。

圖2 電容示意圖

1.3 雷擊電流路徑

如圖3所示，假設(shè)雷擊為大地GND對(duì)火線L的一個(gè)脈沖高壓，脈沖電流Isurge1多數(shù)會(huì)從安規(guī)Y電容Cy進(jìn)入初級(jí)回路，主要路徑為G→G10→Cy→G8→G1→G6→D4→L1→NR1→F1→L。由于Rg直接連接GND，因此會(huì)通過(guò)Rg形成一個(gè)放電支路Isurge2，路徑為G8→Rg→Q1。由于放電支路的柵級(jí)G端或通過(guò)R3到驅(qū)動(dòng)芯片輸出端，因此Isurge2可能是導(dǎo)致線路損壞的破壞路徑。Isurge2突波能量經(jīng)由Rg產(chǎn)生IRg電流，并灌入MOS的門引腳，借由Cgs容抗對(duì)地形成破壞回路。此能量同時(shí)由MOS的源引腳灌入驅(qū)動(dòng)芯片的電流回授引腳，所以MOS的門引腳和驅(qū)動(dòng)芯片的回授引腳會(huì)第一時(shí)間損傷[3]。

MOS的門引腳損傷后，系統(tǒng)可能仍工作在PWM模式。但是，回授電流將使芯片輸出的電壓變大，易使變壓器逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)。此時(shí)，反激線圈的輸出電壓上升，并擊穿驅(qū)動(dòng)芯片的供電腳。變壓器的初級(jí)線圈能量進(jìn)入磁飽和后將產(chǎn)生短路電流，瞬間使MOS的DS極短路，同時(shí)大電流能量導(dǎo)致SG極短路，并回灌至驅(qū)動(dòng)芯片的輸出腳。

圖3 雷擊電流路徑

2 改善方案

為減少電源產(chǎn)品在雷擊高發(fā)季節(jié)持續(xù)出現(xiàn)不良現(xiàn)象，需改善雷擊導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)芯片和MOS管不良問(wèn)題，調(diào)整MOS回路。電源系統(tǒng)的架構(gòu)保持原始不變，從取消放電支路入手，MOS管柵極的泄放電阻Rg不再接地，而是轉(zhuǎn)接在對(duì)應(yīng)MOS管的S極，確保泄放電阻Rg避開(kāi)雷擊電流的主要路徑，從而消除驅(qū)動(dòng)芯片和MOS管的不良現(xiàn)象。

圖4為改善后的雷擊電流路徑示意圖。當(dāng)雷擊從GND對(duì)L放電時(shí)，安規(guī)Y電容Cy仍為高壓脈沖主要通道，則雷擊電流Isurge1主要路徑為G→G10→Cy→G1→G6→D4→L1→NR1→F1→L，改善前的Isurge2已不存在，電阻Rg放置在MOS管Q1的柵極與源極之間，避開(kāi)了雷擊主要路徑通道。

圖4 改善后的雷擊電流路徑示意圖

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室加嚴(yán)后的surge試驗(yàn)，修改設(shè)計(jì)后的顯示器電源的各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。目前，改善后的產(chǎn)品已量產(chǎn)。多年的市場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，改善后的產(chǎn)品品質(zhì)明顯改善，在雷雨季節(jié)未再出現(xiàn)PWM驅(qū)動(dòng)芯片和開(kāi)關(guān)MOS管不良現(xiàn)象。