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什么是同步整流?平板电视同步整流电路的原理及电路分析(一)

2013年2月5日 发表评论 阅读评论

一、什么是同步整流?

     在开关电源电路中,同步整流就采用导通电阻极低的专用功率MOSFET,来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术,这项技术的主要内容是:如何解决单独本身并不具有像整流二极管一样的单向导电性的MOSFET,来完成整流的工作。

图1所示;是传统的开关电源整流电路,图1中Q是开关管;T是开关变压器;D是整流二极管;C是滤波电容。

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                                        图1                                             图2

     图2所示;是用MOS管Q2代替整流二极管D的开关电源整流电路。从图2中可以看到;原图1中的整流二极管D被MOS管Q2所取代。

       在图1中,二极管D是具有单向导电性,可以独立的完成开关变压器次级L2两端的交变电势的整流工作。而图2中的Q2是一个MOS管,是一个受栅极电压控制的双向导通的开关元件,独自本身并不具有单向导电性,在图2中用Q2(MOSFET)取代整流二极管作为单向导电的整流工作,就必须在Q2的栅极施加一个和被整流电压振幅同步变化的同步激励信号,就能起到和整流二极管相同的整流效果,如图3所示。

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                                                                 图3

二、同步整流电路的工作原理及过程:

      在T1时间,图4所示:L2上端为“正”,Q2的激励电路给Q2提供一个控制Q2导通的高电平,Q2导通输出为“正”对电容C充电,并输出对负载供电。

      在T2时间,图5所示:L2上端为“负”,Q2的激励电路给Q2提供一个控制Q2截止的低电平,Q2截止输出为“零”,这时由电容C在T1时间所充的电能维持对负载的供电。

       可以看出;用MOSFET取代普通具有单向导电性能整流二极管的整流电路,其电路的作用、效果完全一样,但是在电路上必须要增加一个控制Q2 (MOSFET)“导通/关闭”和被整流电压相位同步的激励电路,所以采用MOSFET取代普通二极管的整流电路称为同步整流电路。

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                             图4                                                          图5

三、为什么要采用同步整流电路

1、开关电源采用普通整流二极管在大电流负载时的弊端

     大家都知道,由于数字技术大规模的应用与各个领域,特别大规模数字集成电路的普片应用,这些电路工作电源的提供也和过去的模拟电路发生了巨大的变化,过去的半导体模拟电路、模拟集成电路对信号的处理要考虑到非线性失真的问题,所以VCC供电一般都是8V—12V左右,电流都不大,最多1A左右。由于数字电路都是开关电路只要能反映“通”和“断”就完成了信号的处理;很低的供电电压就可以达到信号处理的目的,所以数字信号处理电路的供电都采用低电压供电;3.3V 1.8V 1.2V甚至更低,但是由于大规模数字集成电路内部的开关管数量巨大(上百万只、上千万只)每只管子工作都要有一定的电流,尽管每只开关管电流极小,加起来也是一个庞大的数字,所以就一般的平板电视的主板数字集成电路的供电源(VDD)电流也达到4A—5A以上,一些大型的数字设备的供电压3.3V而电流可以达到20A甚至30A以上。

     现在一般的低压(3.3V)大电流供电均采用如图6所示的主开关电源直接由开关变压器的低压绕组整流供电或者由开关电源输出的12V或5V在经过DC—DC变换降压的二次供电,例如图7所示。

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                                                                     图6

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                                                                         图7

    在这两种低压供电方式的电路中都有整流二极管D2(图6)和续流二极管D(图7),输出的低压的大电流都要流过这两只二极管,二极管也等效于串联在负载电路中,那么二极管的管压降及流过二极管电流的乘积就是二极管的损耗;也就是能量的损耗。大家都知道一般进行交流市电(50赫兹)整流的普通二极管在电流流过时压降一般为0.6V左右,当流过电流在1A时;损耗有0.6V×1A=0.6W,这点损耗对于一般的电压较高的工频市电整流电路根本不算什么(0.6V的压降及0.6W的损耗),可以忽略不计,而对于低压大电流的整流电路问题就比较大了,一是电流的增加使功耗增加,二是0.6V的压降虽然没有变,但是对于3.3V甚至1.8V的输出这个压降可是一个较大的数字,它直接影响了负载供电的性能。

    再者;由于开关电源或者DC—DC变换器的工作频率都比较高(大于40K),所以采用一般的工频整流(交流50赫兹交流电)二极管是不能胜任的,必须采用结电容越小恢复时间越短的快速恢复二极管(FRD)或者超快速恢复二极管(SRD),二极管的恢复时间受PN结电容影响,结电容越小恢复时间越短,结电容越小PN结越厚,PN结越厚导通电压越高,这是快速恢复二极管正向压降比工频整流二极管大得,这类快速恢复二极管的正向压降约在1V至1.2V, 在低电压、大电流输出的情况下,整流二极管的导通压降较高,输出端整流管的损耗尤为突出(即使采用低压降的肖特基二极管(SBD),也会产生大约0.6V至0.8V的压降)。

    为了说明采用二极管作为整流元件产生的损耗弊端,下面简单的计算说明问题:

    以一个数字设备3.3V 20A 供电的DC—DC电源为例:如果采用超快速恢复二极管(SRD)作为整流器件,其导通压降为1.2V在20A输出时:其损耗为: 1.2V×20A=24W。可见光整流元件的损耗就损失了24W的大功率。一般的液晶、等离子主板数字电路的3.3V或1.8V供电电路也达到4—5A 其损耗是:1.2V×5A=6W 也达到了6W,能量的白白损失转变成了热量,还增加了电路的故障率。

2、采用MOSFET作为整流元件的优越性

      随着大规模数字设备的应用普及,人们一直在寻找解决低压降性能整流元件。由于MOSFET的出现,并且具有极低的导通电阻,就考虑利用MOS管来取代一般的整流二极管作为整流元件。由于MOS管是一个受栅极电压控制的双向导通的开关元件,独自本身并不具有单向导电性。用它来作为整流元件应用就必须巧妙的给MOS管施加一个和被整流交变电压同步的驱动信号,在被整流电压正半周到来时控制MOS管导通,负半周到来时控制MOS管截止就可以了,因为MOS管的导通和关闭必须和被整流电压相位同步;所以称为同步整流器,研究这项技术就是同步整流技术。

    采用了低导通电阻的MOS管作为整流元件;比原来二极管整流到底能降低多大损耗?

我们也采用一个简单的计算来说明一下:

例如前面图3的Q2采用MOS管的整流电路:

   MOS管采用型号为 FQP140N 03L 的MOSFET( UDS = 30V, I D = 140A ) , 在导通时;其导通电阻仅为3.8mΩ(毫欧姆) ;

当若整流电流(负载)为20A 时;, 则导通压降为:0.0038Ω×20A=0.076V

其本身的损耗: 0.076V×20A=1.52W

相同的整流电流如果采用快速恢复二极管(SRD)那么损耗为:

       1.2V×20A=24W

   结果在相同的情况下,负载电流20A时  整流元件的损耗为24W 相差近20倍

   就是采用性能优秀的肖特基管 0.6V×20A=12W 损耗也有10倍的差别。

    以上的比较不难看出,采用同步整流的非凡意义所在,尽管电路复杂许多,但是常年累月的能量的节省是非常值得的。

3、整流用的MOS管和开关电源的开关MOS管性能一样吗?可以互相替换吗?

   目前的MOS管对我们技术人员来说已经相当熟习了,现在的开关电源的开关管普片采用了大功率的MOS管作为开关元件,是不是就可以直接采用这样的开关管增加了同步激励电路就可以作为整流管来使用?

    虽然大功率的MOS管原理、构造都是一样的但是作为“开关”(SW)和“整流”(SR)应用还是有区别的,修理人员在代换时是要加以注意和区分的。

    “开关”和“整流”由于工作原理的不同,而导致了其他一些方面的差异。例如:作为主开关的MOS管通常都是硬开关,因此要求开关速度快,以减小开关损耗;而作为整流/续流用的同步MOS管,则要求MOS管具有低导通电阻、体二极管反向恢复电荷小(大功率MOS管内部源极和漏极并接的寄生二极管这是在制造过程中产生的)、栅极电阻小和开关特性好等特点,因此,虽然两者都是MOS管,但是它们的工作特性和损耗机理并不一样,对它们的性能参数要求也不一样,这是维修人员必须要知道的。

四、同步整流电路实例介绍

   下面介绍几款国内平板液晶电视开关电源率先采用的同步整流电路的案例:电路的工作原理下期详细分析:

1、  图8为海信TLM40V68P系列液晶电视机的(1673板)开关电源板的把12V变换为5V输出的串联型降压同步整流DC—DC变换电路,图中12V为输入电压,5V-M/4A为输出电压(输出电流为4A)

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                                                             图8

图8中;N904为同步激励集成电路;V905为“开关”(SW)和“整流”(SR)的复合模块,内有两只功率MOS管分别作开关和续流之用,前面的图7就是此等效电路,把图8绘制为图9就比较容易看懂其中的工作原理了,图9中 Q1是开关管、Q2就是续流管,L902是储能电感。

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                                                              图9

2、  图10所示是一款TCL液晶电视机开关电源同步整流部分

 

 

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                                                         图10

3、 图11 又一款TCL液晶电视机 LCD3026SS开关电源的同步整流部分

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                                   图11

4、 图12 是TCL液晶电视机 LCD3026SS开关电源的采用集成电路同步激励的整流部分

 

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                                                            图12

上面介绍的三款采用同步整流技术的液晶电视机开关电源的整流部分的详细工作原理,由于篇幅较大下期介绍

另外 准备以后分析的这几款 国内厂家采用的具有同步整流电路的液晶电视机图纸 已经上传到www.3811111.com 网站上  是一个压缩包 内有三份图纸 需要者可以去网站的 郝铭专栏下载  打印 以备分析原理之用。

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  1. 匿名
    2013年2月5日20:25 | #1

    郝老师,图片能传个大点的吗,有点图片看不清呀?

  2. 匿名
    2013年2月5日21:34 | #2

    图纸都已经上传到www.3811111.com 网郝铭专栏 可以去下载 好好找找

  3. 匿名
    2013年9月8日13:10 | #3

    老师的分析浅显易懂,很深奥的原理到老师这里一看就明白了。谢谢老师。

  4. 中国红
    2014年3月20日18:28 | #4

    好老师每一篇文章都很精彩

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