液晶電視LED背光電路升壓二極管的代換經(jīng)驗(yàn)

接修一臺(tái)康佳LED42F3300C型液晶電視(背光驅(qū)動(dòng)芯片為OZ9902A)，屏幕不亮，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)背光電路一只升壓二極管損壞，型號(hào)是SB2200，用RU4代換后，背光電路能工作，圖像正常，但二極管發(fā)熱迅速，馬上關(guān)機(jī)。經(jīng)查資料發(fā)現(xiàn)SB2200為肖特基二極管，但手中沒有這個(gè)型號(hào)的，于是用創(chuàng)維29T66HT電視枕校管FMLG16S代用，開機(jī)實(shí)驗(yàn)，效果好了很多，但仍然不放心，為了可靠，找了一只YG875C20R(三腳復(fù)合管)型肖特基二極管，長時(shí)間試機(jī)，機(jī)器再無異常。

此次維修說明LED背光電路升壓二極管不能隨意代換，應(yīng)考慮其工作頻率和工作狀態(tài)。大家知道LED的背光電路是一個(gè)典型升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源，如圖1所示，它在PFC電路中有著廣泛的應(yīng)用，CRT顯示器的二次電源也有很大一部分采用這種模式，LED背光電路的工作頻率一般更高。該電路是一個(gè)典型的升壓(BOOST)電路，開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電感L儲(chǔ)存能量，在開關(guān)管Q截止期間，電感L的感應(yīng)電壓為左負(fù)右正。由于電感電流不能突變，電感L的感應(yīng)電壓方向必然為左負(fù)右正(感應(yīng)電壓的大小始終為電流的變化率)，通過升壓二極管向負(fù)載輸出能量，電感電流按照指數(shù)規(guī)律減少。根據(jù)電感電流的工作狀態(tài)BOOST電路而言，可分為CCM連續(xù)、DCM斷續(xù): CRM臨界三種模式。當(dāng)儲(chǔ)能電感放電完全結(jié)束，電感電流為零后間隔一段時(shí)間開關(guān)管重新導(dǎo)通即為DCM斷續(xù)模式，這時(shí)儲(chǔ)能電感的電流是不連貫的，有截止的時(shí)段。如果當(dāng)儲(chǔ)能電感釋放能量還沒有結(jié)束，開關(guān)管就開始導(dǎo)通此為CCM連續(xù)模式，此模式電感電流是連續(xù)的。如果當(dāng)儲(chǔ)能電感放電剛結(jié)束，開關(guān)管立即導(dǎo)通此為CRM臨界模式，即為電感電流剛好保持連續(xù)，此模式需要檢測電感電流的零點(diǎn)，工作頻率是隨著載荷變化的。無論哪種模式，正常情況下，輸出端電壓高于輸入端直流電壓，升壓二極管D1直流反偏，由于開關(guān)電源的工作頻率比較高，對(duì)升壓三極管也就提出了較高的要求，二極管必須具有快速開通和高速關(guān)斷能力，要使用反向恢復(fù)時(shí)間trr很短和反向恢復(fù)電流Irrm很小的的超快恢復(fù)二極管，如果耐壓能滿足要求，更高的工作頻率特別是CCM連續(xù)模式下，推薦使用幾乎沒有反向恢復(fù)電流的肖特基二極管。下面和大家討論容易產(chǎn)生誤解的一些問題。

1.什么是反向恢復(fù)時(shí)間

為減小電源板的體積，現(xiàn)在的開關(guān)電源工作頻率越來越高，反向恢復(fù)過程不可忽視。實(shí)際的二極管存在反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時(shí)間。有的整流二極管用電表測量很好，但實(shí)際應(yīng)用中嚴(yán)重發(fā)熱，有些就是反向恢復(fù)時(shí)間過長的原因。那么究竟什么是二極管的反向恢復(fù)時(shí)間呢？所謂具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管并不是理想中的正向?qū)ǚ聪蚪刂?，它的?dǎo)通和截止都有一個(gè)延緩過程，導(dǎo)通和截止時(shí)刻都是滯后加于其兩端高、低電平的時(shí)刻。導(dǎo)通延時(shí)相比于反向恢復(fù)時(shí)間而言很短，一般可以忽略，影響開關(guān)速度的主要因素是其反向截止時(shí)間，如圖2所示，二極管導(dǎo)通以后，正向電流為IF，t1時(shí)刻當(dāng)施加電壓轉(zhuǎn)為反向Vf時(shí)，導(dǎo)通的正向電流逐漸減小，在口時(shí)刻，電流成為零，之后還存在反向恢復(fù)過程，在一段時(shí)間ts內(nèi)，反向電流始終增大，二極管并不關(guān)斷，經(jīng)過ts后，反向電流才逐漸變小，再經(jīng)過tf時(shí)間，二極管的電流降到反向最大值的百分之十，再逐步減小至反向最大漏電流，ts稱為儲(chǔ)存時(shí)間，tf稱為下降時(shí)間。trr=ts+tf稱為反向恢復(fù)時(shí)間，以上過程稱為反向恢復(fù)過程。二極管從正向?qū)щ娹D(zhuǎn)換為反向截止?fàn)顟B(tài)需要一段時(shí)間才 能完成，這段時(shí)間稱為反向恢復(fù)時(shí)間trr。
2.反向恢復(fù)會(huì)帶來什么問題
普通整流二極管反向恢復(fù)電流的峰值相當(dāng)可觀，有的甚至?xí)?shù)倍于正向電流，這不但會(huì)增加二極管的損耗，也會(huì)引起較大的EMT(電磁干擾)?？梢韵胂?，當(dāng)頻率升高時(shí)，關(guān)斷和導(dǎo)通頻繁，損耗就更加嚴(yán)重，矛盾更加突出，二極管嚴(yán)重發(fā)熱不能使用，而且，反向恢復(fù)時(shí)間更會(huì)限制二極管的使用頻率，因?yàn)槿绻O管反向恢復(fù)時(shí)間過長，而頻率過高的話，反向恢復(fù)階段還沒結(jié)束，下一個(gè)脈沖又到來，則二極管在正反向都可導(dǎo)通，失去了二極管最基本的特性，起不到開關(guān)作用，二極管完全無法工作。所以二極管反向恢復(fù)電流和恢復(fù)時(shí)間的存在會(huì)限制開關(guān)電源的開關(guān)頻率，無法進(jìn)一步小型化。 高頻整流電路中要選擇反向恢復(fù)電流較小、反向恢復(fù)時(shí)間較小的整流二極管。另外反向恢復(fù)電流在cCM電流連續(xù)模式下，會(huì)對(duì)開關(guān)管造成很大的威脅。
3.如何減小或消除反向恢復(fù)電流的影響
為了抑制反向恢復(fù)電流，縮短恢復(fù)時(shí)間，可以從兩個(gè)思路來考慮:一，器件革新，直接選用反向恢復(fù)電流小，恢復(fù)時(shí)間極短的二極管，這是一種直接面對(duì)的方法，前提是設(shè)計(jì)使用具有高指標(biāo)反向恢復(fù)參數(shù)的二極管器件，典型的應(yīng)用是CCM連續(xù)模式。二，避開反向恢復(fù)的方法，從前面的分析可以看出，形成反向恢復(fù)電流有兩個(gè)條件，一是有一定的正向?qū)娏鳎峭蝗皇┘臃聪螂妷?，如果在電路工作模式設(shè)計(jì)上使二極管的電流降低為零的時(shí)候再承受反向電壓，這時(shí)由于儲(chǔ)存的電荷已經(jīng)被耗盡，就不會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，比如開關(guān)電源中的DCM斷續(xù)模式和CRM臨界模式，這兩種模式下就能消除反向恢復(fù)過程。另外，在二極管上并聯(lián)RC吸收電路等一些方 法也可以降低反向恢復(fù)電流的尖峰，軟化反向恢復(fù)過程，在實(shí)踐中也比較常見。

整流二極管按照反向恢復(fù)時(shí)間可粗略劃分為:(1)普通整流二極管，反向恢復(fù)時(shí)間大于500ns;(2)快恢復(fù)整流二極管，反向恢復(fù)時(shí)間100ns~500ns;(3)高效率整流二極管，反向恢復(fù)時(shí)間50ns-100ns;(4)超快速整流=極管，反向恢復(fù)時(shí)間15ns~5Ons;(5)肖特基整流二極管，肖特基二極管理論上無反向恢復(fù)時(shí)間，實(shí)際小于10ns，其中最新一代的碳化硅肖特基二極管由于特殊的結(jié)構(gòu)，甚至做到了幾乎沒有反向恢復(fù)過程，反向恢復(fù)電流接近零。表1列出不同類別部分常用整流二極管的幾個(gè)參數(shù)，從中可粗略對(duì)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行比較，為選擇代用提供參考。

4.CCM模式為什么對(duì)反向恢復(fù)指標(biāo)要求比較高
結(jié)合本例的情況分析，由于用OZ9902A為驅(qū)動(dòng)芯片的康佳LED 42F3300C LED背光電路的工作頻率很高，可達(dá)到幾百千赫，值得注意的是OZ9902在設(shè)計(jì)，上可以工作在DCM(非連續(xù))和CCM(連續(xù))兩種工作狀態(tài)，在外部輸入電壓和負(fù)載變換的情況下，OZ9902有可能在兩種工作狀態(tài)下自動(dòng)轉(zhuǎn)換，因此升壓二極管采用了極短恢復(fù)時(shí)間的肖特基二極管SB2200。在DCM的模式下(輸入電壓高/負(fù)載輕)，開關(guān)管是在升壓管完全截止以后導(dǎo)通，這樣二極管被施加反壓的時(shí)候已經(jīng)截止，就沒有反向恢復(fù)過程，而在連續(xù)模式CCM下(輸入電壓低/負(fù)載重)，電感中的電流在開關(guān)管開/關(guān)期間沒有斷點(diǎn)，也就是說，開關(guān)管重新導(dǎo)通的時(shí)候，升壓二極管的電流不為零，電感L的能量沒有完全釋放完畢，二極管電流較大的時(shí)候開關(guān)管突然接通，升壓二極管由正向?qū)ㄍ蝗晦D(zhuǎn)為反向偏置，被強(qiáng)制換流。此時(shí)，二極管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的電荷會(huì)產(chǎn)生很大的反向恢復(fù)電流，瞬間會(huì)全部直接流經(jīng)開關(guān)管，這對(duì)開關(guān)管也是一個(gè)巨大的威脅，如果使用一般反向恢復(fù)時(shí)間為幾百納秒的普通快速的二極管，開關(guān)管會(huì)不堪重負(fù)，產(chǎn)生很大的損耗和尖峰恢復(fù)電流，因此連續(xù)模式( cCM)的開關(guān)電路對(duì)此升壓二極管反向恢復(fù)參數(shù)的要求更加嚴(yán)格，必須使用反向恢復(fù)時(shí)間極短的超快速二極管(耐壓滿足要求的情況下，推薦使用肖特基二極管)，維修中不能隨意代換。這是CCM連續(xù)模式的一個(gè)顯著特點(diǎn)，單就二極管的高要求而言，也可以說這是CCM模式的一個(gè)缺點(diǎn)。
一般而言，反向恢復(fù)時(shí)間短的超高速二極管特別是肖特基二極管承受浪涌電流的能力和反向電壓耐壓值相對(duì)較低，現(xiàn)在高耐壓(600V以上)的超快恢復(fù)二極管已普遍應(yīng)用，肖特基二極管的耐壓也可達(dá)200V(如SB2200)。最新-代碳化硅(SiC)肖特基二極管在電壓耐壓值這方面有了很大提高，可達(dá)600V以上，應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大，不過價(jià)格太高，應(yīng)用不普遍。
5.DCM模式對(duì)二極管的反向恢復(fù)參數(shù)有沒有要求
DCM模式?jīng)]有反向恢復(fù)過程，那是否就對(duì)整流二極管的反向恢復(fù)參數(shù)沒有要求?是否就可用低頻的-極管?這是不對(duì)的，反向恢復(fù)參數(shù)是代表二極管的開/關(guān)速度，頻率越高，周期越短，留給反向恢復(fù)的時(shí)間就會(huì)越短，頻率越高就要使用更短反向恢復(fù)過程的二極管，DCM模式也是如此。所謂的反向恢復(fù)，是一定的正向電流和反壓下從導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟谋匦璧臅r(shí)間，這取決于二極管的特性，低頻二極管所需時(shí)間會(huì)大于快速二極管，如果沒有突然施加的反壓形成反向的抽出電流(反向恢復(fù)電流)，在這個(gè)正向電流下通過二極管放電自由過渡到電流為零的時(shí)間肯定會(huì)大于反向恢復(fù)時(shí)間，這個(gè)時(shí)間同樣和放電回路的二極管有關(guān)系，而且低頻二極管所需時(shí)間也會(huì)大于快速二極管。如果在快速二極管(或超快速)正常工作的DCM模式情況下，用反向恢復(fù)時(shí)間很長的普通二極管會(huì)出現(xiàn)二極管放電沒有結(jié)束的時(shí)候，開關(guān)管重新導(dǎo)通，DCM模式會(huì)受到破壞，二極管太長的反向恢復(fù)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致電路不能工作在DCM的狀態(tài)，變成CCM模式。也就是說反向恢復(fù)參數(shù)不同的二極管，它的放電時(shí)間軌跡是不一樣的，低頻的會(huì)相對(duì)延時(shí)很多，實(shí)際就是速度慢，二極管反向恢復(fù)參數(shù)關(guān)聯(lián)去磁放電時(shí)間，所以說，在DCM模式的情況下，雖然不存在二極管強(qiáng)制換流的硬開合狀態(tài)，但二極管的反向恢復(fù)參數(shù)還是應(yīng)該預(yù)先考慮的，要搞清楚因果關(guān)系。因此說，工作在DCM狀態(tài)下，二極管避開了反向恢復(fù)的狀態(tài)，沒有反向恢復(fù)電流，但不能說，DCM就完全不需要考慮二極管的反向恢復(fù)參數(shù)，因?yàn)榛謴?fù)時(shí)間過長就不能保證在DCM模式，只能說同頻下DCM模式對(duì)反向恢復(fù)參數(shù)要求比cCM低很多，只需能維持在DCM的狀態(tài)，特別是頻率不太高輸出電流較小的DCM電源，停滯期比較長，DCM范圍內(nèi)二極管放電時(shí)間可伸縮的空間就比較大，因此確實(shí)也出現(xiàn)過1N4007這樣的低頻管長期誤用在高頻電路的“奇跡”，其實(shí)并不神奇，在這種誤用的情況下，電路的工作狀態(tài)或者工作的范圍要發(fā)生一些變化，會(huì)潛伏某種危機(jī)。同樣分析可以知道，對(duì)于臨界模式而言也沒有反向恢復(fù)過程，但二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的增大意味著工作頻率趨于降低，所以整流管的選擇也要考慮反向恢復(fù)參數(shù)。CCM模式就不一樣了，它是二極管強(qiáng)制換流，一定會(huì)有反向恢復(fù)過程，這是在預(yù)料之中的事情，是不能回避的，對(duì)二極管的反向恢復(fù)參數(shù)要求自然就很高了。反向恢復(fù)的時(shí)間內(nèi)，二極管正反向都導(dǎo)通，是非正常的工作狀態(tài)，所以要盡量縮短或者避開。
6.升壓開關(guān)電源的啟動(dòng)保護(hù)有哪些方式

在開機(jī)瞬間，升壓電路濾波電容的電壓尚未建立，由于要對(duì)大電容充電，通過電感的電流相對(duì)比較大，在對(duì)電容充電的過程中儲(chǔ)能電感L有可能會(huì)出現(xiàn)磁飽和的情況，如果此時(shí)開關(guān)控制電路工作，在磁飽和的情況下，流過開關(guān)管的電流就會(huì)失去限制，燒壞開關(guān)管。防止開機(jī)瞬間儲(chǔ)能電感磁飽和的保護(hù)方法是對(duì)升壓開關(guān)電源工作的工作時(shí)序加以控制，即延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的工作，當(dāng)對(duì)大電容的充電完成以后，再啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制電路。這可以利用控制芯片的使能腳方便地完成，本例(康佳LED40F3300)LED背光電路就是采用這種方式，使能第③腳外接一個(gè)具有復(fù)位功能的延時(shí)電路，通過控制驅(qū)動(dòng)芯片的使能腳的門電路限電壓，使得控制芯片的工作適當(dāng)延時(shí)，從而控制開關(guān)電源的工作時(shí)序。LED恒流驅(qū)動(dòng)電路多采用時(shí)序控制的方法。

同樣形式的升壓 PFC電路有些會(huì)并聯(lián)一個(gè)保護(hù)二極管D2，見圖1所示，這其實(shí)也是一種啟動(dòng)保護(hù)護(hù)的方式。除了上述開機(jī)瞬間對(duì)后面大電容充電容易引起儲(chǔ)能電感磁飽和的原因外在PFC電路中，由于要取得市電100Hz的脈動(dòng)包絡(luò)樣本，輸入端少了一個(gè)大的濾波電容，隨機(jī)的浪涌電壓必然也更容易通過儲(chǔ)能電感威脅開關(guān)管。簡單有效的辦法就是并接在儲(chǔ)能線圈和升壓二極管上一個(gè)旁路二極管，引導(dǎo)浪涌電壓至大電容吸收，啟動(dòng)的瞬間，也給大電容的迅速充電提供另-個(gè)支路，防止大電流流過儲(chǔ)能線圈造成磁飽和的情況下升壓開關(guān)管此時(shí)開始工作造成開關(guān)管過流損壞。D2的加入使得對(duì)大電容充電過程加快，其上的電壓及時(shí)建立，也能使驅(qū)動(dòng)電路的反饋環(huán)路及時(shí)工作，使得開關(guān)升壓環(huán)路迅速進(jìn)入受控正常工作。
前面說過，CCM連續(xù)性的模式由于開關(guān)管是在電感電流不為零的時(shí)候關(guān)斷的，需要承受更大的應(yīng)力，要求升壓二極管有極低的反向恢復(fù)電流和較短的反向恢復(fù)時(shí)間，D1是超快速恢復(fù)二極管或者是肖特基二極管，承受浪涌電流的能力相對(duì)較弱，減小反向恢復(fù)電流和提高浪涌電壓承載力(以及反向耐壓數(shù)值)是相互制約的，而D2所采用的普通的整流二極管承受浪涌電流的能力很強(qiáng)，如IN5407的額定電流3A，浪涌電流可達(dá)200A以上。有的觀點(diǎn)認(rèn)為，該保護(hù)二極管D2分流了升壓二極管D1上的電流，可降低開機(jī)瞬間對(duì)升壓二極管D1的浪涌沖擊，這看似有-定的作用，但應(yīng)該注意到和儲(chǔ)能電感L升壓二極管D1和濾波電容的關(guān)系是串聯(lián)的，由于電感上的電流不能突變，電感本身就對(duì)通過升壓二極管和濾波電容c的浪涌電流起了限制作用，所以該保護(hù)二極管主要保護(hù)的還是開關(guān)管。綜上所述，以上電路中二極管D2的作用是在開機(jī)、瞬間浪涌輸入或負(fù)載短路、輸出電壓低于輸入電壓的非正常狀況下給電容提供充電路徑，防止電感磁飽對(duì)MOS管造成的危險(xiǎn)，同時(shí)也減輕了電感和升壓二極管的負(fù)擔(dān)，起到保護(hù)作用。該二極管的作用仍然可以說是減少浪涌電壓的沖擊，但主要是為了減少浪涌電壓對(duì)開關(guān)管造成的威脅，對(duì)升壓二極管也有分流保護(hù)作用，但不是保護(hù)濾波電容的恰恰相反，并入保護(hù)二極管后對(duì)濾波電容的浪涌沖擊更大。在開機(jī)正常工作以后，由于D2右面為B+輸出電壓，電壓比左面高，D2一直呈反偏截止?fàn)顟B(tài)，對(duì)電路的工作沒有影響，因而D2應(yīng)選用可承受較大浪涌電流的普通整流二極管。