開關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

隨著消費類電子設備使用的增多，感應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防直擊雷，閃電依然能干擾到交流線，其強大電磁場產生的感應雷和脈沖電壓可潛入室內危及電腦、電視等用電設備。因此，設計防雷電路成為電源開發的關鍵問題。雷擊一般分為差模雷擊和共模雷擊，峰值電壓都在千伏級別。常見的電子設備危害不全是直接雷擊引起的，部分是由雷擊發生時電源和通信線路中感應的電流浪涌引起的。一方面由于電子設備內部高度集成化，造成設備耐壓和耐電流的水平下降，導致設備對雷電的承受能力也下降；另一方面由于信號路徑增多，系統較之前更易遭受雷電波侵入，如浪涌電壓可從電源線、信號線等竄入設備。

現有電視和顯示器等消費類產品的開關電源多采用反激式架構，控制核心為PWM驅動芯片和開關MOS管（Q1）。大量數據顯示，驅動芯片和MOS管等零件在雷雨季節會出現明顯的不良現象，如芯片或MOS管燒毀等。

1 現有電源分析

1.1 工作原理

開關電源的基本架構，如圖1所示。該系統是利用時間比率控制（Time Ratio Control，TRC）方法控制穩壓輸出。驅動芯片通過輸出PWM信號控制MOS管（Q1）的導通[1]，并配合變壓器次級的二極管和電容，輸出穩定的直流電壓。

圖1 開關電源的基本架構

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構、材料和所加電壓決定。此電容與溫度無關，所以MOS的開關速度對溫度不敏感。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]。

統計常用的4家供應商的同一類型MOS產品，可對比各電容之間的關系，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 各電容之間的關系表

圖2為一個從電路角度獲得的本征電容示意圖。由于MOS管的結電容Cgd、Cgs與R3組成了RC網絡，因此電容的放電將直接影響開關管的開關速度和信耐性。R3過小，易引起振蕩，電磁干擾很大；R3過大，則降低Q1的開關速度。寄生電容的存在導致R3或PWM驅動芯片輸出端開路時，Q1的柵極端產生一個電壓Vgs（dv/dt）。當Vgs高于Q1的柵極導通門檻電壓Vth時，Q1將持續導通，造成變壓器T1初級主繞組飽和，一側電流急劇增加，導致MOS管的功耗迅速上升，本體將因電流過大而燒毀。

為規避風險，一般的電源設計會在開關MOS的柵極與地之間增加一個電阻Rg，組成Cgs柵極電荷泄放回路，從而確保柵極開路時MOS管不被損壞。市場數據顯示，雷雨季節時仍經常出現控制芯片擊穿或MOS燒毀的不良現象。大量實驗發現，L/N對PE放電超6 kV時，將會存在芯片和MOS損壞的情況，可認為是雷擊電流對線路的破壞。

圖2 電容示意圖

1.3 雷擊電流路徑

如圖3所示，假設雷擊為大地GND對火線L的一個脈沖高壓，脈沖電流Isurge1多數會從安規Y電容Cy進入初級回路，主要路徑為G→G10→Cy→G8→G1→G6→D4→L1→NR1→F1→L。由于Rg直接連接GND，因此會通過Rg形成一個放電支路Isurge2，路徑為G8→Rg→Q1。由于放電支路的柵級G端或通過R3到驅動芯片輸出端，因此Isurge2可能是導致線路損壞的破壞路徑。Isurge2突波能量經由Rg產生IRg電流，并灌入MOS的門引腳，借由Cgs容抗對地形成破壞回路。此能量同時由MOS的源引腳灌入驅動芯片的電流回授引腳，所以MOS的門引腳和驅動芯片的回授引腳會第一時間損傷[3]。

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

圖3 雷擊電流路徑

2 改善方案

為減少電源產品在雷擊高發季節持續出現不良現象，需改善雷擊導致的驅動芯片和MOS管不良問題，調整MOS回路。電源系統的架構保持原始不變，從取消放電支路入手，MOS管柵極的泄放電阻Rg不再接地，而是轉接在對應MOS管的S極，確保泄放電阻Rg避開雷擊電流的主要路徑，從而消除驅動芯片和MOS管的不良現象。

圖4為改善后的雷擊電流路徑示意圖。當雷擊從GND對L放電時，安規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 論

通過實驗室加嚴后的surge試驗，修改設計后的顯示器電源的各項參數滿足設計要求。目前，改善后的產品已量產。多年的市場數據顯示，改善后的產品品質明顯改善，在雷雨季節未再出現PWM驅動芯片和開關MOS管不良現象。