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同步整流电路分析

楼主:电源联盟 时间:2021-06-04 10:00:33

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一、传统二极管整流电路面临的问题

近年来,电子技术的发展,使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作有利于降低电路的整体功率消耗,但也给电源设计提出了新的难题。

开关电源的损耗主要由3部分组成:功率开关管的损耗,高频变压器的损耗,输出端整流管的损耗。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。快恢复二极管(FRD)或超快恢复二极管(SRD)可达1.0~1.2V,即使采用低压降的肖特基二极管(SBD),也会产生大约0.6V的压降,这就导致整流损耗增大,电源效率降低。

举例说明,目前笔记本电脑普遍采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供电电压,所消耗的电流可达20A。此时超快恢复二极管的整流损耗已接近甚至超过电源输出功率的50%。即使采用肖特基二极管,整流管上的损耗也会达到(18%~40%)PO,占电源总损耗的60%以上。因此,传统的二极管整流电路已无法满足实现低电压、大电流开关电源高效率及小体积的需要,成为制约DC/DC变换器提高效率的瓶颈。

二、同步整流的基本电路结构 

同步整流是采用通态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。它能大大提高DC/DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率MOSFET属于电压控制型器件,它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时,要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能,故称之为同步整流。

1、基本的变压器抽头方式双端自激、隔离式降压同步整流电路 

基本原理如图1所示,V1V2为功率MOSFET,在次级电压的正半周,V1导通,V2关断,V1起整流作用;在次级电压的负半周,V1关断,V2导通,V2起到续流作用。同步整流电路的功率损耗主要包括V1V2的导通损耗及栅极驱动损耗。当开关频率低于1MHz时,导通损耗占主导地位;开关频率高于1MHz时,以栅极驱动损耗为主。

3、半桥他激、倍流式同步整流电路 

2 单端降压式同步整流器的基本原理图 

该电路的基本特点是:

1)变压器副边只需一个绕组,与中间抽头结构相比较,它的副边绕组数只有中间抽头结构的一半,所以损耗在副边的功率相对较小;

2)输出有两个滤波电感,两个滤波电感上的电流相加后得到输出负载电流,而这两个电感上的电流纹波有相互抵消的作用,所以,最终得到了很小的输出电流纹波;

3)流过每个滤波电感的平均电流只有输出电流的一半,与中间抽头结构相比较,在输出滤波电感上的损耗明显减小了;

4)较少的大电流连接线(high current inter-connection),在倍流整流拓扑中,它的副边大电流连接线只有2路,而在中间抽头的拓扑中有3路;

5)动态响应很好。

它唯一的缺点就是需要两个输出滤波电感,在体积上相对要大些。但是,有一种叫集成磁(integrated magnetic)的方法,可以将它的两个输出滤波电感和变压器都集成到同一个磁芯内,这样可以大大地减小变换器的体积。

三、电路实例分析 

16.5W同步整流式DC/DC电源变换器的设计

下面介绍一种正激、隔离式16.5WDC/DC电源变换器,它采用DPA-Switch系列单片开关式稳压器DPA424R,直流输入电压范围是36~75V,输出电压为3.3V,输出电流为5A,输出功率为16.5W。采用400kHz同步整流技术,大大降低了整流器的损耗。当直流输入电压为48V时,电源效率η=87%。变换器具有完善的保护功能,包括过电压/欠电压保护,输出过载保护,开环故障检测,过热保护,自动重启动功能、能限制峰值电流和峰值电压以避免输出过冲。

DPA424R构成的16.5W同步整流式DC/DC电源变换器的电路如图6所示。与分立元器件构成的电源变换器相比,可大大简化电路设计。由C1L1C2构成输入端的电磁干扰(EMI)滤波器,可滤除由电网引入的电磁干扰。R1用来设定欠电压值(UUV)及过电压值(UOV),取R1=619kΩ时,UUV=619kΩ×50μA+2.35V=33.3V,UOV=619kΩ×135μA+2.5V=86.0V。当输入电压过高时R1还能线性地减小最大占空比,防止磁饱和。R3为极限电流设定电阻,取R3=11.1kΩ时,所设定的漏极极限电流ILIMIT=0.6ILIMIT=0.6×2.50A=1.5A。电路中的稳压管VDZ1SMBJ150)对漏极电压起箝位作用,能确保高频变压器磁复位。 

该电源采用漏-源通态电阻极低的SI4800型功率MOSFET做整流管,其最大漏-源电压UDS(max)=30V,最大栅-源电压UGS(max)=±20V,最大漏极电流为9A(25℃)或7A(70℃),峰值漏极电流可达40A,最大功耗为2.5W(25℃)或1.6W(70℃)。SI4800的导通时间tON=13ns(包含导通延迟时间td(ON)=6ns,上升时间tR=7ns),关断时间tOFF=34ns(包含关断延迟时间td(OFF)=23ns,下降时间tF=11ns),跨导gFS=19S。工作温度范围是-55~+150℃。SI4800内部有一只续流二极管VD,反极性地并联在漏-源极之间(负极接D,正极接S),能对MOSFET功率管起到保护作用。VD的反向恢复时间trr=25ns。

功率MOSFET与双极型晶体管不同,它的栅极电容CGS较大,在导通之前首先要对CGS进行充电,仅当CGS上的电压超过栅-源开启电压〔UGS(th)〕时,MOSFET才开始导通。对SI4800而言,UGS(th)≥0.8V。为了保证MOSFET导通,用来对CGS充电的UGS要比额定值高一些,而且等效栅极电容也比CGS高出许多倍。

SI4800的栅-源电压(UGS)与总栅极电荷(QG)的关系曲线如图7所示。由图7可知

QG=QGSQGDQOD1)

式中:QGS为栅-源极电荷;

QGD为栅-漏极电荷,亦称米勒(Miller)电容上的电荷;

QOD为米勒电容充满后的过充电荷。

UGS=5V时,QGS=2.7nC,QGD=5nC,QOD=4.1nC,代入式(1)中不难算出,总栅极电荷QG=11.8nC。

等效栅极电容CEI等于总栅极电荷除以栅-源电压,即

CEI=QGUGS2)

QG=11.8nC及UGS=5V代入式(2)中,可计算出等效栅极电容CEI=2.36nF。需要指出,等效栅极电容远大于实际的栅极电容(即CEI>>CGS),因此,应按CEI来计算在规定时间内导通所需要的栅极峰值驱动电流IG(PK)IG(PK)等于总栅极电荷除以导通时间,即

IG=QGtON3)

QG=11.8nC,tON=13ns代入式(3)中,可计算出导通时所需的IG(PK)=0.91A。

同步整流管V2由次级电压来驱动,R2V2的栅极负载。同步续流管V1直接由高频变压器的复位电压来驱动,并且仅在V2截止时V1才工作。当肖特基二极管VD2截止时,有一部分能量存储在共模扼流圈L2上。当高频变压器完成复位时,VD2续流导通,L2中的电能就通过VD2继续给负载供电,维持输出电压不变。辅助绕组的输出经过VD1C4整流滤波后,给光耦合器中的接收管提供偏置电压。C5为控制端的旁路电容。上电启动和自动重启动的时间由C6决定。

输出电压经过R10R11分压后,与可调式精密并联稳压器LM431中的2.50V基准电压进行比较,产生误差电压,再通过光耦合器PC357去控制DPA424R的占空比,对输出电压进行调节。R7VD3C3构成软启动电路,可避免在刚接通电源时输出电压发生过冲现象。刚上电时,由于C3两端的电压不能突变,使得LM431不工作。随着整流滤波器输出电压的升高并通过R7C3充电,C3上的电压不断升高,LM431才转入正常工作状态。在软启动过程中,输出电压是缓慢升高的,最终达到3.3V的稳定值。

四、用于同步整流的功率MOSFET最新进展 

为满足高频、大容量同步整流电路的需要,近年来一些专用功率MOSFET不断问世,典型产品有FAIRCHILD公司生产的NDS8410型N沟道功率MOSFET,其通态电阻为0.015Ω。Philips公司生产的SI4800型功率MOSFET是采用TrenchMOSTM技术制成的,其通、断状态可用逻辑电平来控制,漏-源极通态电阻仅为0.0155Ω。IR公司生产的IRL3102(20V/61A)、IRL2203S(30V/116A)、IRL3803S(30V/100A)型功率MOSFET,它们的通态电阻分别为0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω,在通过20A电流时的导通压降还不到0.3V。这些专用功率MOSFET的输入阻抗高,开关时间短,现已成为设计低电压、大电流功率变换器的首选整流器件。

最近,国外IC厂家还开发出同步整流集成电路(SRIC)。例如,IR公司最近推出的IR1176就是一种专门用于驱动N沟道功率MOSFET的高速CMOS控制器。IR1176可不依赖于初级侧拓扑而单独运行,并且不需要增加有源箝位(active clamp)、栅极驱动补偿等复杂电路。IR1176适用于输出电压在5V以下的大电流DC/DC变换器中的同步整流器,能大大简化并改善宽带网服务器中隔离式DC/DC变换器的设计。IR1176配上IRF7822型功率MOSFET,可提高变换器的效率。当输入电压为+48V,输出为+1.8V、40A时,DC/DC变换器的效率可达86%,输出为1.5V时的效率仍可达到85%。

4 结语 

在设计低电压、大电流输出的DC/DC变换器时,采用同步整流技术能显著提高电源效率。在驱动较大功率的同步整流器时,要求栅极峰值驱动电流IG(PK)≥1A时,还可采用CMOS高速功率MOSFET驱动器,例如Microchip公司开发的TC4426A~TC4428A。



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