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PFC电路原理、检修及用示波器分析故障 吴善龙 大家都知道，大屏幕的LCD电视机，比CRT电视机多了一个电路单元：PFC电路。因为PFC电路要向整机供电，电路功率大，电压高，电流大，是电视机故障的高发部位。 在CRT电视机中，电网的220V交流电，进入电视机电源板后，先经桥式整流把交流电变成脉动的直流电-----大电解电容滤波得到含有较大纹波的300V直流电-------加到开关电源------利用开关电源变压器输出多路电压-----为整机各电路单元提供多路电压不同、电流大小不同的直流供电。 再看现在的大屏幕LCD电视机，电网的220V交流电，进入电视机的电源板后，先经桥式整流得到脉动的直流电------加到PFC电路逆变成高频方波-----续流二极管整流-------经大电解电容滤波得到稳压的380V直流电（纹波极小、电压极为稳定的直流电）-------380V直流加到主开关电源-------利用主开关电源变压器输出多路直流电压-------为电视机各电路单元提供电压不同、电流不等的直流供电。 对比上述两者：区别在于CRT电视机的交流电经桥式整流后直接经大电解电容滤波，再为全机供电。而大屏幕LCD电视机，交流电源经桥式整流后，不是马上接大电解电容滤波，而是先经PFC电路逆变成高频方波，然后再经大电解电容滤波。 CRT电视机电源存在的缺陷：桥式整流后接的大电解电容，因为容量很大，在交流电一个周期中，其上一直保持很高的直流电压中（300V)，只有当交流电正、负波峰到来时，经桥式整流后才会高于大电解电容上的300V电压，在正、负波峰的极短暂时间整流桥才会导通，把电网的交流电向大电解电容充电-----为电视机供电。而交流电的正、负波峰之外的其它绝大部份时间，因为交流电的振幅低于大电解电容上的电压，因此，电网不能给电视机供电。全国上亿台电视机都这样工作，就会把电网交流电的正、负波峰拉低、拉变形，电网上传输的将不再是正弦波状交流电，而是正、负波峰被削平了的交流电。这样的交流电，在流过电网中的变压器、电感器时，会产生极大的变压器损耗、同时发出很响的噪声，也会干扰各种电子设备的正常工作。为此，必须消除交流电波峰整流带来的危害。PFC电路就是专门用来解决这个问题的。 PFC电路，实际上是一个高频开关电源，也是一个DC-DC变换器，它的工作频率大约是60K，50HZ交流电经桥式整流后得到的100HZ脉动直流电，加到PFC的输入端，作为PFC电路的电源，PFC电路开始振荡，PFC电路的大功率MOS开关管以60K的频率，极快的导通-----截止-----导通------截止-------周期性的重复工作，PFC电路输出的60K高频方波，再经续流二极管整流-------大电解电容滤波，得到380V纯直流电输出。在电网正弦交流电的一个周期360度波形时间内，PFC电路连续的工作，在正弦交流电的一个周期内，PFC电路一直给电视机整机供电。消除了CRT电视机中，只在正弦交流电的正、负波峰时给电视机整机供电的弊端。使电网中传输的正弦交流电正、负波峰不再被削顶，保持电网中正弦波交流电的良好波形。提高了电视机的功率因数。 从上面的分析中可看出：电视机中增加了PFC电路，不是为了提高电视机的性能、让电视机节电，而是为了消除电视机电源板整流桥只在交流电正/负波峰时整流的弊端、电视机只在交流电波峰时才从电网吸收电能。整流桥后边接大电解电容滤波是引起这一问题的原因。它对电网交流电的正弦波造成了损害。为了消除这一弊端，在交流电整流桥的后边，不再接大电解电容，而是改成PFC电路。有了PFC电路后，在电网正弦波交流电1周期的360度时间内，PFC电路一直连续均匀的从电网吸取电能，为电视机整机供电。如果整流桥后边不接PFC电路，而是直接大电解电容滤波，在电网正弦波1周期的360度时间内，只在正弦波交流电的正、负波峰约30度（只占一周期的1/12）极短暂时间，急促的给电视机整机供电，在此极短时间内必将产生极大的脉冲电流，这将严重损坏电网正弦波的形状。 从上述的分析可看出：电源板内的PFC电路，是为了减小电视机对电网的污染而设置的，没有PFC电路，电视机照样可以正常工作。况且，一台功率极小、100W左右的电视机对强大的电网（几十万兆瓦）产生的负面影响微乎其微，可以乎略。 当电视机电源板内的PFC电路故障而又不能排除时，或是PFC电路损坏的零件买不到时，完全可以把PFC电路拆除，电网的220V交流电经整流桥整流-------跨过PFC电路-------直接加到大电解电容上滤波-------为主开关电源供电。 拆除PFC电路最为简便的方法：把PFC电路功率MOS管拆掉或是断开MOS管的D极即可，其它部位保持原样不做任何改动。也可以把PFC电路芯片的15V供电切断，或是拆下PFC芯片。其它电路单元不做任何改动，电视机就可以正常的工作。 有的PFC芯片，内含电网电压、频率检测电路，电网交流电进入电源板后，经过取样电路，加到PFC芯片检测输入脚，以此检测电网电压、频率是否正常，检测到正常后，PFC芯片会输出一个反馈电压，有的机型把此反馈电压加到主开关电源芯片，控制主开关电源工作与否。有的机型把此反馈电压加到电源板的微处理器，以控制电源板是否进入工作状态。如果有这种功能的PFC芯片在拆除时，一定要人为的提供一个反馈电压给主开关电源芯片或是微处理器。以此防止电源板进入保护状态、拆除PFC芯片后电源板不工作。有的电视机，交流电进入电源板经整流桥整流后，再进行取样获得反馈电压，加到PFC芯片的检测输入端。通过看PFC电路的原理图，这些检测电路都可以看出来。有好多从外国买回的电视机，带到国内来看，就发生电源板不工作，就是因为电源板PFC芯片可以检测输入电视机电源板交流电源的频率异常。因为国外的电网交流电频率是60HZ，而国内的电网交流电是50HZ。因此，把外国的电视机带到国内来看，PFC电路检测到交流电源的频率是50HZ时，PFC芯片就会发出电源频率异常的反馈电压，关闭电视机的主开关电源，或是电源板内微处理器收到这个反馈电压后进入保护关机状态。遇到这种情况，就要手工切断这个反馈电压，解除交流电源频率的保护。 本文以夏普46/52LX920A 为例，说明电源板PFC电路的检修。特别指出：夏普46LX620A与LX920A系列的电源板电路图是相同的。 在该机的维修手册中，没有电源板的电路原理图，为此，笔者比对电源板实物，一个零件一个零件的绘出了整个电源板的电路图。有关PFC 电路，见下图所示： file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps41F.tmp.jpg 上图中，L4702是PFC储能大电感，其外形很像变压器，只不过只有一个线圈，没有次级线圈，只有一个线圈的变压器，就是电感。D4704是PFC续流二极管。这是一个高频、大电流的二极管，损坏后，不能用IN系列的工频二极管（普通整流二极管）代换，而必须用肖特基高频二极管代换。C4707是PFC滤波大电解电容。IC4701是PFC芯片。 上图中IC721是待机开关电源芯片，T721是待机开关电源变压器，只要通电，不论是处于待机状态还是开机状态，待机开关电源就工作，输出5V电源给主板内的微处理器供电。T721的辅助绕组产生的感应电压，经D759整流----C731滤波得到22V供电，加到供电开关管Q721的C极，该管B极到地接有17V稳压管，从E极输出16.5V的供电，经D4707加到PFC芯片的供电端8脚。实测8脚的供电是16V。 PFC芯片的型号是R2A20113：这是一个临界导通模式的PFC芯片。该芯片2011年上市。所谓临界导通模式是指前一个工作周期结束后，PFC储能电感里的电流下降到零时，才启动下一个工作周期。这样设计的目的，是开启PFC功率MOS管时，让PFC电感里的电流为零，这样可以显著降低MOS管的开启损耗。降低MOS管的热量，提高PFC电路的可靠性。这就需要一个零电流检测电路。在其它PFC电路中，都是在PFC电感中专门增加一个辅助绕组：储能电感零电流检测绕组。称为过零检测绕组。本PFC电路为了简化电路，去掉了PFC电感中的辅助绕组，储能电感的零电流检测，改在电网交流电整流桥的负极回路中，见上图中的R4701\R4702\R4703\R4705。每个电阻是0.1欧，4个并联是0.025欧。 PFC电感L4702的电流，给负载供电，通过负载流到地线-------再通过R4701\R4702\R4703\R4705流回到整流桥的负极。因为这4个并联电阻的右端接地，因此，左端到地是一个负电压，这个负电压的高低，反应了PFC电感、MOS开关管的电流值大小。当PFC电感流过电流时，会在四个电阻左端到地产生一个负电压，当PFC电感的电流下降到零时，四个电阻左端到地的负压降到0V，这就很好的检测到了PFC电感电流的零点。把这个电流零点的检测电压，经过R4723，加到PFC芯片的5脚CS，CS就是英文电流检测的缩写。进入5脚的电流检测电压，在芯片内主要有两个功能：1是用来对MOS管的过流保护，当MOS管发生过流时，流过4个并联电阻的电流增大，加到CS端的负压升高，就会启动芯片内部的过流保护动作。2是用来检测电感电流的零点，当PFC电感中储存的电能，全部加到负载上消耗光时，电感中的电流就下降到0，此时CS脚的负压也下降到0V，芯片此时就从7脚输出驱动方波的前沿，以开启MOS管。在此零电流下开启MOS管，MOS管的功耗最低，MOS管不发热，工作最理想。 R2A20113各脚功能：见下图。 file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps420.tmp.jpg 1脚：误差放大器输入端。PFC电路输出的390V电压，经分压取样后，作为反馈电压加在该脚输入。 2脚：误差放大器输出端。2脚外接R C补偿网络，使电路工作稳定。 3脚：外接一个电阻到地，用于设置PFC芯片内的锯齿波振荡频率。 4脚：输出5V基准电压。 5脚：PFC储能电感零电流检测输入端，过流检测输入端。 6脚：地 7脚：功率MOS管驱动脉冲输出端，输出12VP的正驱动方波。 8脚：供电脚。 R2A20113内部框图： file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps421.tmp.jpg file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps422.tmp.jpg 从上述波形可见：5脚的CS锯齿波顶部在0V，因此，5脚的锯齿波CS处在0V线以下。在MOS开关管截止时，储能电感中储存的电能向负载泄放供电，当电感内的电能泄放完毕时，5脚的负锯齿波上升到波峰0V时，通过逻辑电路的处理，从芯片的7脚输出驱动正方波的前沿，开启MOS功率管。至此，PFC电路的上一周期结束，下一个工作周期开始。在7脚输出高电平驱动方波期间，MOS管持续导通，电流如下流动：电网交流电源-----桥式整流电路正极------PFC电感-----MOS管的D极-----S极到地-------4个并联的电流检测电阻------整流桥的负极-------交流电源，电流构成了回路。上述电流，由于受到PFC储能电感的感抗阻碍，上述电流只能从零按线性逐渐增大，形成锯齿波电流，4个并联的电流检测电阻左端到地，即上图中CS锯齿波的负波峰达到最大点时（-0.6VP），芯片5脚内部就会被触发翻转，把7脚输出的正方波关断变成低电平。以此关断MOS开关管。在MOS管导通期间，电网的电流，流过PFC电感，因此，PFC电感内储存了电网的电能。MOS管关断后，PFC电感内储能的电能，通过D4704的导通，向大电解电容C4707充电，并向后面的主开关电源提供380V的供电，为整机供电。在芯片7脚输出低电平期间，MOS开关管截止，PFC电感向负载供电，把电感内储存的电能，向负载供电。在此期间，随着电感的放电，5脚的负锯齿波CS由负向最大值逐渐变小，最后达到0V。达到0V的瞬间，说明电感内储存的电能全部泄放完毕，电感的电流达到了零点，说明上一个工作周期结束。此刻芯片内部逻辑电路又从7脚输出正方波的前沿，再次开启MOS管，进入下一个工作周期。 本机PFC电路的存在问题：通电开机后PFC输出电压正常，但PFC的MOS功率管太热，送到用户家，看不了几天，MOS管就会因过热烧毁热击穿。PFC电路MOS开关管过热的原因有以下几种： 1、PFC芯片内部不良，7脚输出的驱动功率不足，导致在驱动方波的前沿（上升沿）7脚输出到MOS管G极的驱动电流偏小，MOS管开启缓慢，使MOS在开启时功率损耗太大。 在驱动正方波的后沿（下降沿），PFC芯片7脚吸入的MOS管G极电容上的电流偏小，造成G极电容放电缓慢，G极上电压下降缓慢，MOS管关断缓慢，使MOS管关断损耗太大。MOS管开启损耗和关断损耗很大，管子就会发热严重，时间一长温度过高而过热击穿。可通过换PFC芯片来试验。 2、PFC芯片8脚供电偏低，正常的供电是16V，如果供电偏低，7脚输出的驱动方波幅度低，引起MOS管的G极激励不足。测量8脚电压即可判断。 3、产生16V供电的D759\R739\C731虚焊、接触不良、阻值变大、容量变小，都会引起芯片8脚供电纹波大，7脚输出的驱动功率不足。只有逐个重焊、更换上述零件来试验。 4、PFC大电解C4707容量下降，也会引起MOS管导通异常过热。通过更换该电容来实验。 5、MOS开关管D极用于尖峰吸收的小电容C4724/C4726失容、外壳炸裂，也会引起MOS开关管过热。 6、芯片7脚到MOS管G极的电阻、二极管变值，虚焊，也会造成MOS管激励不足而发热。必须把这几个零件，一个一个的逐个检测和重焊。 7、PFC储能电感内部绕组有匝间短路，也会造成MOS管电流增大过热烧毁。 8、芯片3脚外接电阻变值，导致锯齿波频率不正常，MOS管过热。 大功率MOS管G极的开启电压通常要大于5V，为了可靠的开启的MOS管，通常加在G极的正方波幅度达到12V以上，如果小于12VP，就要检测芯片的供电，或是更换PFC芯片。 9、PFC电路印刷电路的设计、铜箔走线设计不好，走线分布电容、分布电感太大，在PFC芯片驱动输出脚到MOS开关管的G极之间，形成了自激振荡，也会造成MOS管过热。 常有人认为：MOS管是电压驱动的开关管，不需要较大的驱动功率。其实这样认为是错误的。这是因为PFC电路中的MOS开关管，其正常的漏极电流很大，一般在15A以上，也有不少在20A以上。耐压在500V以上。电流大、耐压高的MOS管，G极到S极的极间电容很大，可高达3000PF，当芯片的7脚输出正方波的前沿时，要向MOS管的G极3000PF电容充电，导致G极电压不是陡直上升到高电平，而是缓慢上升到高电平。这就造成MOS管的开启是缓慢，形成很大的开启损耗，导致MOS管发热烫手。为了消除G极大电容对快速开启MOS管影响，就必须让PFC芯片的7脚能输出很大的灌电流，把很大的灌电流加到MOS管的G极，瞬间把G极的电容充电灌满，达到快速开启MOS管的目的。 在PFC 芯片7脚输出的正方波下跳到0V时，因为MOS管G极3000PF电容上充有大量的电荷，造成G极电压不是立即下跳到0V，而是随着G极电容的缓慢放电而逐步降低，造成MOS管关断缓慢，关断损耗很大。MOS管发烫。因此，要求PFC芯片7脚要能吸入很大的电流，把G极电容上储存的大量电荷瞬间吸出来泄放到地，加快MOS的关断速度，来降低MOS管关断损耗。为了达到这个效果，很多PFC电路，在PFC芯片驱动输出脚到MOS管G极之间，加入一级激励放大电路（如2个三极管组成的推挽功放），对MOS管G极的电容进行大电流的快速灌满或吸出泄放，以加速MOS管的开启速度和关断速度，降低MOS管的温度。 为了提高MOS管的开启和关断速度，在印板设计和零件布局时，要求MOS的G极离PFC芯片驱动输出脚尽可能的近，印板走线尽量短、尽量走直线不要绕弯，减小分布电容和分布电感的影响。如果印板设计不当，就会使加到MOS管G极的驱动方波变差，正方波的前沿和后沿不陡直。 PFC电路实测波形 例1： 下图是某机型电源板内的PFC电路。PFC芯片也是R2A20113. L9801是PFC储能电感，Q9801是MOS开关管 file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps423.tmp.jpg 以上这个PFC电路，MOS管的温度很低，电路工作良好，实测PFC芯片输出的驱动方波，见下图所示： 正方波前沿和后沿很陡直，波形很好。 示波器X轴每格设置在10微秒，因此，正方波的宽度是25微秒，Y轴每格设置在5V，正方波的幅度是13VP。必须指出：这是拆掉MOS管后，在PFC芯片的驱动输出脚7测到的波形。如果PFC电路的MOS管在路正常工作，驱动正方波的宽度很窄只有0.1微秒，后面会专门介绍。 PFC电路的MOS开关管在路工作时，1个周期内，MOS管只需要导通0.1微秒，就可以把PFC输出电压保持在标准值：390V。也就是说MOS管只需要导通很窄时间，PFC输出就能达到390V。而当拆除MOS管时，PFC电路就不工作了，此时PFC输出端输出的是220V交流电经全波整流后的电压：只有320V，因为此时达不到PFC标准值390V，因此，PFC芯片1脚检测到PFC输出端电压严重偏低时，PFC芯片R2A20113就会从7脚输出最宽的驱动方波：25微秒，以此企图提高PFC的输出电压。所以，此时测到MOS的G极波形很宽：25微秒。 必须说明的是：PFC芯片驱动输出脚的正方波的形状好，并一定说明MOS管G 极的驱动波形好。因为这两者之间还有好多驱动电路的零件R和D。驱动波形的好坏，还是要看MOS管G 极的波形为准。 file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps424.tmp.jpg 上图用的是普源数字示波器，能以数字的形式，自动显示出测量脉冲的幅度、宽度、周期、频率。这在在屏幕的底部可看到数字显示值。上图屏幕顶部的H 10.0us，表示示波器的水平扫描每格代表10微秒，相当于X轴是每格10us。上图屏幕底部显示的字符有黄色的1、栈兰色的2、紫色的3、深兰色的4，表示这是一个4踪示波器，可以同时测量4路波形，上图中只用了第1踪{黄色），1=5.00，表示第一踪每格代表5V电压，因此，方波的幅度是16VP， 当pFC电路的MOS管在路正常工作时，其G极的波形见下图： file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps425.tmp.jpg 上图用的是普源数字示波器：能自动显示脉冲的幅度、宽度、周期、频率。在屏幕的底部用数字显示波形的数值。上图屏幕顶部H 50.0ns，表示示波器的水平扫描每格50纳秒，相当于X轴是每格50ns。上图屏幕底部显示的字符有黄色的1、浅兰色的2、紫色的3、深兰色的4，表示这是一个4踪示波器，可以同时测量4路波形，上图中只用了第1踪{黄色），1=5.00，表示第一踪每格代表5V电压，因此，方波的幅度是16VP， 示波器X轴每格50纳秒，正驱动方波宽度是2格100纳秒，即0.1微秒。示波器Y轴每格5V，驱动正方波的幅度是16VP。可看，该G极的驱动方波前沿很陡直，很好。后沿也不错。正是因为加在MOS管G 极的驱动方波很好，手模MOS管温度只是温热。很理想。 PFC电路实测波形 例2： 下图是某机型PFC电路的电原理图，PFC芯片采用的是NCP1653A，PFC功率MOS管是Q1：8A600V。L2是PFC储能电感。 file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps426.tmp.jpg 下图是PFC功率MOS管G极的波形：file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps427.tmp.jpg 上图用的是普源数字示波器：能自动显示脉冲的幅度、宽度、周期、频率。上图屏幕顶部H 5.00us，表示示波器的水平扫描每格5微秒，相当于X轴是每格5微秒。上图屏幕底部显示的字符有黄色的1、浅兰色的2、紫色的3、深兰色的4，表示这是一个4踪示波器，可以同时测量4路波形，上图中只用了第1踪{黄色），1=5.00V，表示第一踪每格代表5V电压，因此，方波的幅度是14VP， 示波器X轴每格5微秒，驱动方波宽度是3微秒。示波器Y轴每格是5V，驱动方波幅度是14VP。可看，这个驱动波形很理想，正方波的前沿很陡直，后沿也很陡直。PFC的波形周期是15微秒。此时PFC的MOS管温度很低，工作正常。 下图是这个PFC电路MOS管D极的波形：file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps428.tmp.jpg 上图用的是普源数字示波器：能自动显示脉冲的幅度、宽度、周期、频率。上图屏幕顶部H 5.00us，表示示波器的水平扫描每格5微秒，相当于X轴是每格5us。上图屏幕底部显示的字符有黄色的1、浅兰色的2、紫色的3、深兰色的4，表示这是一个4踪示波器，可以同时测量4路波形，上图中只用了第1踪{黄色），1=100V：表示第一踪每格代表100V电压，因此，方波的幅度是400VP， 示波器X轴每格5微秒，负向波形是MOS导通的期间波形，从波形可见MOS管导通的宽度是3微秒。正方波是MOS管截止期间的波形。PFC波形的周期是15微秒。正方波之后的高频正弦波，是MOS管D 极分布电容与电感形成的衰减振荡。在这期间MOS管也是保持在截止状态。示波器的Y轴每格100V，则D极波形的幅度是400V。因此，选择PFC电路的MOS管的耐压时，耐压达到500V，即符合要求。不会发生过压击穿现象。 下图是夏普52LX920与52LX620电源板内PFC电路图。 file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps429.tmp.jpg 下图是R2A20113的7脚输出的驱动正方波： 从图中可看：示波器的X轴每格100纳秒（0.1微秒），可看到7脚输出的驱动方波宽度只有90纳秒。也就是说在一个PFC工作周期中，PFC的MOS开关管只导通极短暂的90纳秒，也就是整流后的电网电能，向PFC电感只充电90纳秒，就可以让PFC输出端得到380V的标准输出电压。下图Y轴每格10V，可看到7脚输出的驱动方波幅度是20VP（包含电路中分布电容和分布电感因为自激振荡产生的尖峰振铃，实际上有效的驱动方波幅度是16VP)。方波的前沿和后沿都有尖峰，说明R2A20113驱动输出端到MOS管G极间的印板布局不理想，在驱动方波的激励下，分布电容和分布电感产生了振铃过冲尖峰。另外，当芯片的输出脚驱动能力不足、驱动功率偏小时，因为芯片的驱动能力hold不住分布电容与电感，它们才会兴风做浪，产生振铃过冲。 file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps42A.tmp.jpg 上图用的是普源数字示波器：能自动显示脉冲的幅度、宽度、周期、频率。在屏幕的底部用数字显示波形的测量值。屏幕底部左侧的黄底黑字CH1 10.0V，表示通道1（第一踪）每格代表10V电压，白色字:Time 100.0ns 表示扫描线每格代表100纳秒（0.1微秒），因为脉冲宽度不到1格，因此，脉冲的宽度是90纳秒。 file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps42B.tmp.jpg 上图：是模拟示波器，不能像数字示波器那样可以在屏幕的底用数字直接显示出波形的测量值，而要靠技术人员用眼估算波形的测量值。 屏幕顶部左边的A 100ns，表示X轴每格代表100纳秒，用眼估测脉冲宽度90纳秒。图中有上、下两条水平扫描线，可知这是双踪示波器，可以同时测量2路波形，屏幕底部左边的1： 10mv，表示示波器第一踪的电压档位是每格10mv。屏幕上部扫描线称为1踪，没有使用。屏幕下部扫描线称为2踪，屏幕底部的字符2： 1V，表示第二踪每格代表1V电压。用眼估测波形幅度是1.6V，因为用的是衰减10倍的探头，因此，要把示波器上显示的波形幅度再乘10倍，才是真正的脉冲幅度。因此，第二踪波形的幅度是16V。 可看：模拟示波器，需要示波器使用人员，人工估算出波形的宽度和幅度。而数字示波器则用内部的微处理器经过计算，直接在屏幕底部用数字的方式，给出脉冲测量的宽度和幅度。不用人工估算。上图测量的是PFC芯片7脚输出的驱动方波。 R2A20113：7脚输出的驱动方波宽度太窄只有90纳秒，纳秒级的脉冲，其频率是极高的，换算成频率大约高达10MHZ，因为大功率MOS管G极的分布电容一般在上千PF，在其G极加上宽度只有纳秒级的极窄正方波，那么这个G极的上千PF电容，就会对这个极窄正方波产生前沿充电和后沿放电的积分效应，导致其前沿变成缓慢充电上升，后沿是缓慢放电下降，这肯定引起MOS管开启损耗和关断损耗的增大，引起MOS管烫手。 以下三个波形，就是换成3种不同电流大小的MOS管作为PFC的开关管，测得的G极波形：以此来分析不同电流的MOS管，对G极驱动波形的影响： 1、采用小电流的MOS管：10N50。该MOS管作为PFC的开关管，该管的最大电流是10A，耐压是500V。测得其G极波形见下图： 下图用的是普源数字示波器：能自动显示脉冲的幅度、宽度、周期、频率。下图屏幕顶部H 100ns，表示示波器的水平扫描每格100ns，相当于X轴是每格100ns。上图屏幕底部显示的字符有黄色的1、浅兰色的2、紫色的3、深兰色的4，表示这是一个4踪示波器，可以同时测量4路波形，下图中只用了第1踪{黄色），下图底部的左边1=5.00V，表示第一踪每格代表5V电压，因此，驱动脉冲的幅度是11VP，因为大功率MOS管的G极有上千PF很大的分布电容，对G极输入的高频、极窄的驱动方波进行了严重的电容积分、衰减，使方波前沿由原来的陡直，变成电容充电缓慢上升的斜坡，使方波原来的平顶，变成了尖峰波。因为G极电容和引线电感产生自激振铃，使方波的后沿产生了很大的振铃，这些，都将使MOS管发热严重。在上一个波形图中，已经测量得到PFC芯片7脚输出的驱动方波幅度是16VP，而现在测量MOS管G极的驱动脉冲幅度衰减到了11VP，可见MOS管G极电容对宽度极窄仅90ns的驱动方波的幅度衰减是严重的。为了消除MOS管G极电容对前级驱动方波的电容积分作用和对驱动方波幅度的衰减，只能加大前级驱动方波的功率，例如在G极前面专门增加一级三极管推挽功率放大器。 下图中，X轴每格100纳秒，从上升沿算起，到下降的后沿结束，波宽90纳秒。后沿之后负向波峰，是因为G极的分布电容与引线的分布电感，产生了受激振荡形成的振铃。示波器Y轴每格5V，驱动脉冲正向幅度是11VP。此时的G极驱动脉冲，早已不是原本的方波状了，变成正弦波状的尖顶脉冲了，波形失真极为严重。G极的这个驱动波形很不好。这是因为10N50大功率MOS管的G极有很大的分布电容（高达上千PF），对输入的驱动脉冲（频率很高、脉宽很窄仅90ns）的电容积分作用明显造成的。 可看到加到G极的波形，已经不是方波，而是前沿上升缓慢，后沿有振铃的畸形驱动脉冲了。为什么G极波形变得如此差吗？就是因为大功率MOS管的G极有很大上千PF的分布电容，G极有这么大的分布电容，就决定了大电流的MOS管，不适合作频率很高的开关电源和PFC电路，在设计电路时，要尽可能的把PFC、开关电源的工作频率设计工作在低频率。那么，什么因素决定PFC的开关频率即工作频率呢？根据前面讲解R2A20113的工作原理可知：决定PFC驱动方波宽度的一个重要因素是PFC储能电感的电感量。储能电感的体积越大，其电感量也就越大、感抗越大，对MOS管电流的阻抗越强，就会降低MOS管的D极电流峰值。MOS开关管导通期间，流过电感的电流从零增大的速率就越慢，流过4个并联电流检测电阻的电流就越小，PFC芯片5脚负向锯齿波电压增长的速率慢，达到-0.6VP所需的时间就越长，7脚输出的驱动方波就越宽、频率随之降低。加到MOS管G极的驱动方波频率低了，G极分布电容对对驱动方波的影响就极小了，MOS管的开启损耗和关断耗损就很小，长时间带负载工作，MOS开关管才不会发热。如果把PFC储能电感圈数增多、磁芯加大、电感的电感量就增大，MOS开关管导通时，PFC电感内储存的电量就可以增多。在MOS开关管截止、PFC电感向负载泄放电能时，持续泄放的时间就增长，电感电流下降到零所需的时间就增长，也就是芯片5脚CS电压下降到0V所需要的时间就延迟，MOS开关管截止的时间就延长，PFC工作周期延长，PFC工作频率降低，这些都极好的让MOS开关管很好的开启、关断、降低正常工作时的温度。 为了实现大屏幕LCD彩电的超薄，就要把电源板做得很薄，而电源板上有很多个体积很大、很厚的变压器和电感器，严重制约了电视机的超薄，为此，厂家不得不把原本很厚、体积很大的电感器、变压器改成很薄，使电感器和变压器的电感量明显变小，导致流过变压器、电感器的电流变大，开关电源和PFC电路的工作频率自动的变得很高、驱动正方波变得很窄，最后结果导致夏普超薄电视机中PFC的MOS开关管、开关电源中的MOS开关管温高很高，故障率上升。 PFC的MOS管型号是10N50时，G极的驱动波形：数字普源示波器测试所得G极波形。 file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps42C.tmp.jpg 上面，我们是数字示波器测量了MOS管G极的波形，下面，我们用模拟示波器来测量MOS开关管G极的波形，能过对比，让我们常握数字示波器与模拟示波器的区别： file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps42D.tmp.jpg 上图：是模拟示波器，屏幕顶部左侧A 200ns，表示X轴每格200纳秒，显示的脉冲宽度90纳秒。因为这是双踪示波器，把1踪关闭了，因此看不到1。 屏幕底部显示2： 500mv，表示屏幕中显示的波形是第二踪，每格代表的电压是500mv，也就是每格0.5V，因为用的是衰减10倍的探头，因此，要把示波器上显示的波形幅度再乘10倍，才是真正的脉冲幅度。因此，示波器每格代表电压是5V，通过人眼目测估计，脉冲的幅度是10V。可看：模拟示波器，需要示波器使用人员，人工估算出波形的宽度和幅度。而数字示波器内部的微处理器经过计算，直接在屏幕底部用数字的方式，给出脉冲的宽度和幅度。不用人工估算。上图测量的是PFC 电路MOS管G极的驱动脉冲，可见：G极的驱动脉冲根本不是方波，而是畸变成尖峰波了。这都是因为大功率MOS管G极有很大的分布电容，对前级送来的高频、极窄的方波进行了严重的电容积分和衰减，使前级送来的方波变成了尖峰波，前级16VP的驱动脉冲在G极被衰减到了10VP.这肯定会增大MOS管的功耗，会使MOS管发烫。 为了增大G极的灌电流，笔者把G极的灌流电阻R4704，由100欧减小到20欧，再测G极驱动脉冲的前沿明显变陡，MOS管的温度明显下降。 2、采用20A60作为PFC电路MOS开关管，该管的最电流20A，耐压是600V。下图是G极波形。 下图用的是普源数字示波器：能自动显示脉冲的幅度、宽度、周期、频率。下图屏幕顶部左侧：H 200ns，表示示波器的水平扫描每格200ns，相当于X轴是每格200ns。下图屏幕底部显示的字符有黄色的1、浅兰色的2、紫色的3、深兰色的4，表示这是一个4踪示波器，可以同时测量4路波形，下图中只用了第1踪{黄色），下图屏幕底左侧1=2.00V，表示第一踪波形每格代表2V电压，因此，方波的幅度是8.8VP，下图测量的是PFC 电路MOS管G极的驱动脉冲，可看G极的驱动脉冲根本不是方波，而是畸变成尖峰波了。这都是因为大功率MOS管G极有很大的分布电容，对前级送来的高频、极窄的方波进行了严重的电容积分和衰减，使本来的方波变成的尖峰波，把前级16VP的方波，到G极衰减到了8.8VP。这肯定会增大MOS管的功耗，使MOS管发烫。 在上一个波形测量图中，MOS管的型号是10N50，管子的最大电流是10A，G极的波形是11VP。而在本测量图中，换成了更大电流的MOS管20N60，G极的波形被衰减的更加严重：变小到8.8VP。这是因为20N60的电流大于10N50，G极的分布电容明显大于10N50的管子。因此衰减的更加明显。对比10N50和20N60这两个管子G极的波形，明显的区别是20N60管子G极波形后沿，电容放电更加缓慢，G极脉冲后沿电压下降缓慢。这必将引起MOS管关断缓慢，关断损耗加大。为了解决这个问题，笔者把G极的泄放电阻R4707由100欧，减小到20欧。 下图中：示波器X轴每格200纳秒，正脉冲宽度在90纳秒。示波器Y轴在每格2V，正脉冲幅度只有8.4VP。G电容对前级送来的驱动脉冲（16VP)衰减了将近一半。 可见此时G极驱动幅度由10N50的11.4V降低到了8.4V，降低了3V，与10N50相比，正脉冲的后沿下降极为缓慢，为什么会有此两点变化呢？这是因为大功率MOS管的G极电容，与该管的电流大小成正比，电流越大，管芯的体随之越大，G极的分布电容必然也越大。10N50的G极电容是1400PF，20N60的G极电容是3000PF。这么大的分布电容，对G极宽度极窄、频率极高的的驱动脉冲阻抗很小，分流作用明显，因此，把G极的驱动脉冲衰减变小很多。因为G极电容大，在正脉冲的后沿，G极电容放电慢，形成后沿下降缓慢的波形。由以上分析可看出：在维修更换PFC的MOS开关管时，并不是换成电流更大的MOS管，对电路越有利，换成电流更大的MOS管对电路反而有害。在维修中代换PFC的MOS管，选择代用型号时，只要代换管的电流够用即可，最好选用电流相同的管子。不要轻易换用电流更大的管子。如果换成电流更大的MOS管时，必须同时把G极前面驱动电路中的灌流电阻阻值变小，泄放电阻的阻值也要变小。上图中的R4704就是灌流电阻，R4707就是泄放电阻。上图中它们的阻值都是100欧。变小到20欧会有改善。最好在PFC芯片输出脚7到MOS管G极间，加2只三极管组成的推挽驱动放大，该电路能输出足够大的G极灌电流和G极泄放电流，在驱动脉冲的前沿可将G极电容瞬间灌满，在驱动脉冲的后沿可将G极电容存储的电荷瞬间放光。才能明显改善G极的驱动波形，使之前沿和后沿变得的陡直。 PFC芯片输出的驱动波形，本来是理想的方波，其前沿和后沿是直角垂直的，经过R---C----D等传递，送到MOS管G极的波形，已经严重失真成了尖峰波，如下图所示。后沿缓慢下降。主要是因为MOS管G极有很大的、上千PF的分布电容，对来自R2A20113的7脚很窄的驱动方波，进行了严重的电容积分和幅度上的衰减，并与引线分布电感形成了寄生振荡，出现了顶部的尖峰及后沿慢坡。 20N60 file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps42E.tmp.jpg 3、采用13N60作为PFC电路的MOS开关管。该管最大电流是13A，耐压是600V。G极波形见下图所示： 下图用的是普源数字示波器：能自动显示脉冲的幅度、宽度、周期、频率。下图屏幕顶部H 200ns，表示示波器的水平扫描每格200ns，相当于X轴是每格200ns。上图屏幕底部显示的字符有黄色的1、浅兰色的2、紫色的3、 深兰色的4，表示这是一个4踪示波器，可以同时测量4路波形，上图中只用了第1踪{黄色），屏幕底部左下角的1=2.00V，表示第一踪每格代表2V电压，因此，驱动脉冲的幅度是8VP，下图测量的是PFC电路 MOS管G极的驱动脉冲，可见G极的驱动脉冲根本不是方波，而是畸变成尖峰波了。这都是因为大功率MOS管G极有很大的分布电容，对前级PFC芯片7脚送来的高频、极窄（宽度只有90ns）的方波产生了严重的电容积分和衰减，使本来的方波变成的尖峰波，这肯定会增大MOS管的功耗，会使MOS管发烫。 示波器的X轴每格200纳秒，显示的脉冲宽度是90纳秒，Y轴每格2V，脉冲幅度是8V。在G极很大分布电容的积分下，G极的波形前沿是斜坡，分布电容与引线分布电感产生寄生振荡，形成尖峰，因为G极电容的缓慢放电，使后沿形成很长的下降斜坡。这让MOS开关管的开启损耗和关断损耗变得很大，MOS管很烫手。 13N60 file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps42F.tmp.jpg 为了改善上图中G极的驱动脉冲波形，把G极的灌流电阻和泄放电阻由原来的100欧，减小成为30欧。可以改善波形。 以上，显示了PFC电路MOS功率开关管G极单个驱动脉冲展宽放大后波形，能看清驱动脉冲的宽度和前沿及后沿的形状，但不能看到驱动脉冲的周期，要看周期，需要把示波器的X轴档位调大，由每格0.2微秒（200纳秒）调大到每格1微秒，见下图所示，此时可以看到相领3个周期的G极驱动脉冲。下图X轴每格1微秒，Y轴每格10V，可看到左数第一个G极驱动脉冲与中间驱动脉冲的周期是3.8微秒，中间驱动脉冲与最右边驱动脉冲的周期是4.2微秒。驱动脉冲的幅度是12VP。从下图可看到：相临脉冲周期并不相待。这是因为电网的正弦交流电，其振幅随时间每时每刻都在按正弦规律变化。 file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\ksohtml\wps430.tmp.jpg 上图用的是普源数字示波器：能自动在屏幕底，以数字的形式，显示脉冲的幅度、宽度、周期、频率。屏幕底左下角，是黄底黑字的CH1，CH1=10V，表示波形每格代表10V电压。屏幕底部右侧：Time 1.000us，表示扫描线每格代表1us的时间长度。 数字示波器与模拟示波器的比较： 数字示波器，是对波形进行采样量化、变成数字信号后，经数字电路的存贮、运算处理后在屏上显示，因为采样频率不可能太高，因此，测量高频、窄脉冲波形时，数字示波器显示的波形与原波形失真明显，波形的细节看不清楚。 测量高频窄脉冲，数字示波器的显示效果差。看不清波形。没有模拟示波器显示波形细腻。但数字示波器可以把显示的波形存贮、回看、加工、整理、输出。这些功能，模拟示波器办不到。 就像用三用表测量和检测电路一样，在测量前，一定要先弄清楚被测点的电压和波形大致多高，周期大致是多长，然后把示波器的X轴和Y板设置到要适应的档位上，才能到清淅稳定的波形。如果测量高电压的部位，要用10：1的探头，防止高压窜入录波器烧坏示波内部电路。 测量PFC 电路MOS管的D极波形，要特别注意，这是因为D极电压很高，波形峰值高，一要用10：1探头，有条件的要用100:1的探头。要在测量前，先把示波器的电压量程放到最高：50V/格。这样，示波器一格代表50V，示波器全屏一般有8格，那么全屏能显示400VP的波形。如果全屏有10个格，那么全屏能显示500VP的波形。如果换用100：1的探头，测量电压的范围可以扩大10倍。因为100：1的探头价格昂贵，一般的维修人员找不到这样的探头。在以前测量CRT电视机的行输出管C极的行逆程脉冲时，就必须用100：1的探头。因为行逆程脉冲的波形幅度是1200VP的高电压脉冲，用10：1的探头，示波器只能测量400VP的脉冲，显然1200VP的行逆程脉冲，无法测量。也会烧坏示波器。笔者在前几年，就多次看到维修人员不懂这个道理，用1：1的探头，测量CRT电视机行管C极的行逆程脉冲，烧坏示波器。 在本文的最后，再次提醒维修人员：若遇到返修多次或修很长时间也修不好的PFC电路，或是远程100公里以上的上门维修、上门应急维修时手中没有损坏零件的备件时，都可以把PFC电路MOS管拆除不用，其它电路不作任何改动，就可以让交流电源经桥式整流后，直接加到后面的大电解电容上给后面的主开关电源供电，此时电源板仍可以正常工作，电视机可以正常收看电视节目。
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发表于 2016-11-29 14:08
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发表于 2017-8-30 20:54
