開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計

開關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計,開關(guān)電源,應(yīng)用,利用,運用,液晶顯示器,電源,設(shè)計 使用同步整流器的高效率開關(guān)電源單元1.緒論這份報告描述了一種為主機電腦提供的絕緣開關(guān)電源單元(DC/DC轉(zhuǎn)換器),這種單元是利用新開發(fā)的用來次級調(diào)整的同步調(diào)整電路組成的.與傳統(tǒng)的開關(guān)電源相比，它提高了6%的處理效率和現(xiàn)在已經(jīng)提高到了1.75倍的每單位量的功率輸出。因此這種電源單位具有高效率、低電壓和高功率輸出的特點。表格1顯示其規(guī)格的概要。圖1 就是這個電源單位的外形。整流方式 肖特基勢壘二極管(SBD) 同步整流器輸入電壓 (V dc) 200-373 240-400輸出電壓（V dc ） 3.6 2.5/3.3 可轉(zhuǎn)換輸出電流（A） 300 360輸出功率（W ） 1080 1188效率（% ） 75 81功率損耗（W ） 360 278大小 W/H/D（mm）120/381/2009.1（公升）60/381/2505.7（公升）每單位量功率輸出（瓦/公升）119 208重量（kg） 8.5 5.3氣流（m 3/min） 2.4 1.5工作溫度（℃） 0-45 0-45表格 1 說明書圖1 以前的（左）和新單元（右）2.背景近年來，在規(guī)模集成電路技術(shù)作用下，已經(jīng)有了從晶體管-晶體管邏輯電路（TTL）和發(fā)射器連接邏輯電路（ECL）的利用到利用高綜合的互補金屬氧化物半導體（CMOS）的方法。與此同時中央處理器、存儲器和類似物的邏輯部分以相當快的速度正逐步走向小型化。盡管如此，把電源部分合成整體是有困難的，剛開始它占用了主機里面的大部分空間。直到現(xiàn)在，水冷卻法已經(jīng)被用來冷卻邏輯部分。因為水冷卻法是高效率的，它曾經(jīng)也用來冷卻電源。然而使用CMOS會減少邏輯部分使用的電量，這將制造水冷卻單元（一種昂貴的組成部分）使多余的電源組成部分小型化。因此，只對電源組成部分用水冷卻單元已經(jīng)變得更加禁止的昂貴。通過減少電源的內(nèi)在損耗和提高單位的處理效率使電源單位小型化已經(jīng)變得有必要。此外，電源電壓超過時間時從5.0V減少到3.3V，然后到2.5V。再著，由肖特基勢壘二極管SBD組成的次級整流部分的損耗已變得相當重要。因此我們作出結(jié)論認定減少次級整流部分的損失將在小型化過程中是最重要的因素，并且要而發(fā)展使用同步整流電路開關(guān)電源單元。3.常規(guī)的電路和損耗分析圖2是一種開關(guān)電源的外形，和圖3 顯示的是損失分析的結(jié)果。圖上表明次級整流部分損失占有超過40%整體損失。 根據(jù)理論分析的觀點，這分析的結(jié)果建議使用同步整流電路將改善處理效率，如圖4顯示。圖2 常規(guī)電路圖3 功率損耗比較圖4 效率比較4.當前狀況的同步整流器同步整流的基本概念已長期存在。 然而，其當作一種產(chǎn)品實際的應(yīng)用只是最近才開始。 在移動設(shè)備中的同步整流器開始于手攜式電腦，是一種重要的技術(shù)有利于延長這樣電源設(shè)備的電池使用壽命。自從由于同步整流的作用，當非絕緣模式被使用控制電路就相對容易。 因此促進開關(guān)對ICs 的用途, 在CPUs中同步整流為多數(shù)DC/DC 交換器而使用 。但是當絕緣模式（需要變壓器）被使用時，由于同步整流的作用使得控制電路有困難。因此，下面的問題將會遇到。因而絕緣模式只能用在具體的產(chǎn)品。5.使用同步整流遇到的問題圖5 顯示了同步整流電路的正常使用。有很多的問題與這個電路相關(guān)。而且, 處理效率不是象我們期望一樣好。此外, 其他嚴重的問題包括并行操作會遇到。圖5 早先同步整流電路1)低邊開關(guān)的推動不足正如圖6 說明, 當主要開關(guān) (Q01,2 在圖5) 被關(guān)閉 , 變壓器被重新設(shè)置, 造成引起的電壓的消失。然后, 低邊開關(guān)Q2 被關(guān)閉 ,電流流入BD2（Q2 的部分二極管） , 導致在損失的增量。因此需要加肖特基勢壘二極管D2與Q2 平行以增加物理量。當電源的輸入電壓的范圍是寬廣的并且其輸入電壓是高的, 重新設(shè)置時間被變短和在當電流流入D2期間總的時間是延長的。因為其處理效率達到的幾乎與使用SBD 整流電路是一樣的 , 所以使用同步整流電路的正面作用不是非常重大的。圖6 早先電路波形2)在并行操作電流線路圖7 顯示沒有使用阻攔的二極管的單位并行操作。當一個單位的主要開關(guān)Q01,2 被關(guān)閉, 另一單位輸出提供電壓給Q2 門。結(jié)果 , 一個單位(Q2) 打開。然后高電流流經(jīng)扼流圈而流失。這導致Q2 被損壞和輸出電壓減小。并且, 當在各個單位的poweron 和 poweroff 信號的發(fā)生不一至的時候, 將產(chǎn)生同樣的問題, 造成對單位的損傷。圖7 并行操作3)關(guān)斷時間的延遲在大多數(shù)當前被發(fā)展的MOS-FET, 其Vgs 的門限電壓Vth 從4 V減少到2 V 。正如圖8 所示 , 當由OV 門電壓( 斜率A)關(guān)斷Q1 和Q2, 瞬時斜率的緩和區(qū)顯示其極限。損失因由變壓器產(chǎn)生的電流而增加，原因是關(guān)斷時間的延遲。圖8 門限的兩種波形4)浪涌電壓因為同步整流電路的操作是雙向的, 扼流圈L1 的電流將是連續(xù)的。當負載電流小的時候, L1 電流以反向流動。甚至在高邊開關(guān)Q1最輕微的延遲導致L1 電流通路被切斷, 則浪涌電壓產(chǎn)生, 正如圖9 所示。結(jié)果 , Q1 和Q2 受到損傷。5)在并行操作過程中的循環(huán)電流當有同步整流電路的各個單元是并行操作的， 如果甚至有最輕微輸出電壓的差別，則大電流會較高的輸出電壓單元流到較低的輸出電壓單元。 (這在圖10 說明.) 通過 U2 逆變器電流反饋到主要邊， 在此之后，它再一次被 U1 逆變器返回次級邊。 結(jié)果，大的循環(huán)電流在U1 和U2 之間流動。 因此，即使有輕負載電流，在單位里產(chǎn)生的損失也像用重負載發(fā)生一樣的大。6.解決問題和新的電路如下內(nèi)容描述一個解決用第5 部分描述的問題的方法。 圖11顯示新同步整流電路。 圖13是一張說明在并行操作的構(gòu)造的圖表。 圖9 產(chǎn)生浪涌電壓的裝置圖10 循環(huán)電流的根源圖11 新電路1)低邊開關(guān)的推動不足圖11顯示Q2和它的操作開關(guān)Q3。正如圖12說明的，當Q01,2斷開這樣就產(chǎn)生變壓器重新調(diào)節(jié)電壓，使得Q3斷開然后正電壓通過D3加到Q2門兩端。當電壓重新調(diào)節(jié)完成電壓被除去時，D3斷開，Q2 門不導通。 在這點上，Q2保持在Ciss 中的門和源電路上的充電電荷并且終止。結(jié)果，并聯(lián)在Q2上的肖特基勢壘二極管顯得沒有必要。同步整流電路能夠最小化它自身的損耗。2）在并行操作中的電流環(huán)路圖11顯示的Q1和Q2通過隔離繞組（N2和N3 ）來驅(qū)動，使得于其他單元的潛在電流可以避免，并且他們可以并行操作。圖 12 新電路波形3)關(guān)閉時間延遲如圖11所示，變壓器繞組 Q1是直接和門和源電路連接。當 Q1關(guān)閉，一個負電壓加在門電路上。當Q01，2打開，在變壓器 Q2上，正電壓產(chǎn)生。因此，門電荷通過Q3 放電。然后，相反的電壓加在Q2 的門電路并且Q1關(guān)閉。（圖8中的斜線B ）4）涌浪電壓當一個等同于L1上的電流大小的電流被檢測到時（在圖11 中變壓器的電流被檢測到），Q4 在L1的電流或者相等的電流變成反向前關(guān)閉。通過關(guān)閉 Q4，反向電壓加到Q2 的門電路并且Q2 關(guān)閉。然后BD2 代替Q2 進行整流。在感應(yīng)電流在反方向流動時關(guān)閉Q2，能夠截止掉L1 上的反向電流并且避免了涌浪電壓。同時，整流器前面的下降從0.2v增加到1v。然而，因為負載電流很小，沒有熱量失靈發(fā)生。5）平行操做中的循環(huán)電流循環(huán)電流通過利用對門電路驅(qū)動和停止在截止盤繞的關(guān)閉區(qū)域的分離來消除掉。7．特性圖14說明了新單元的效率和內(nèi)部損耗的標準結(jié)果。象在圖4上所期望的結(jié)果，損耗被降低23%，效率提高6%。圖13 并聯(lián)工作圖 14 新電源單元的效率8．結(jié)論我們發(fā)展了一種新的同步矯正電路來克服和傳統(tǒng)的同步整流電路關(guān)聯(lián)的缺點。我們同時也在著手一種冷的絕緣開關(guān)電源提供單元的商業(yè)產(chǎn)品，同時它提供高效率，低電壓和高輸出電流。然而，因為CPUs 這種邏輯部件繼續(xù)以一種很快的速度進行小型化發(fā)展，開關(guān)電源單元的小型化外圍設(shè)備的比以往需求更強烈。因此，我們將需要在允許我們實現(xiàn)更高的效率水平的發(fā)展技術(shù)上工作。9．參考文獻[1] Hirohiko Kizu, Hiroyuki Satoh, Shigeharu Yamashita,Kazutoshi Fuchigami, "WaterCooled Switching Power Supply" INTELEC '89[2] Teruhiko Kohama, Tamotsu Ninomiya, Masahito Shoyama, "Abnormal Phenomena Caused by Synchronous Rectifiers in Parallel-Module DC-DC Converter System" TECHNICAL REPORT OF IEICE. EE97-53,CMP97-158(1998-01)