解決電源設(shè)計難題:詳談開關(guān)電源同步整流技術(shù)
發(fā)布時間:2019-12-02 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】同步整流技術(shù)就是采用低導(dǎo)通電阻的功率MOS管代替開關(guān)變換器快恢復(fù)二極管,起整流管的作用,從而達(dá)到降低整流損耗,提高效率的目的。通常,變換器的主開關(guān)管也采用功率MOS管,但是二者還是有一些差異的。
傳統(tǒng)二極管整流問題
近年來,電子技術(shù)的發(fā)展,使得電路的工作電壓越來越低、電流越來越大。低電壓工作有利于降低電路的整體功率消耗,但也給電源設(shè)計提出了新的難題。
開關(guān)電源的損耗主要由3部分組成:功率開關(guān)管的損耗,高頻變壓器的損耗,輸出端整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下,整流二極管的導(dǎo)通壓降較高,輸出端整流管的損耗尤為突出。快恢復(fù)二極管(FRD)或超快恢復(fù)二極管(SRD)可達(dá)1.0~1.2V,即使采用低壓降的肖特基二極管(SBD),也會產(chǎn)生大約0.6V的壓降,這就導(dǎo)致整流損耗增大,電源效率降低。
問題舉例
但設(shè)采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供電電壓,所消耗的電流可達(dá)20A。此時超快恢復(fù)二極管的整流損耗已接近甚至超過電源輸出功率的50%。即使采用肖特基二極管,整流管上的損耗也會達(dá)到(18%~40%)PO,占電源總損耗的60%以上。因此,傳統(tǒng)的二極管整流電路已無法滿足實(shí)現(xiàn)低電壓、大電流開關(guān)電源高效率及小體積的需要,成為制約DC/DC變換器提高效率的瓶頸。
同步整流技術(shù)引言
在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,輸出直流電壓不高的隔離式轉(zhuǎn)換器都使用 MOSFET作為整流器件。由於這些器件上的導(dǎo)通損耗較小,能夠提高效率因而應(yīng)用越來越廣泛;
為了這種電路能夠正常運(yùn)作,必須對同步整流器(SR)加以控制,這是基本的要求。同步整流器是用來取代二極管的,所以必須選擇適當(dāng)?shù)姆椒?,按照二極管的工作規(guī)律來驅(qū)動同步整流器。驅(qū)動信號必須用PWM控制信號來形成,而PWM控制信號決定著開關(guān)型電路的不同狀態(tài)。
同步整流器件的特點(diǎn)
同步整流技術(shù)就是采用低導(dǎo)通電阻的功率MOS管代替開關(guān)變換器快恢復(fù)二極管,起整流管的作用,從而達(dá)到降低整流損耗,提高效率的目的。通常,變換器的主開關(guān)管也采用功率MOS管,但是二者還是有一些差異的。
功率MOS管實(shí)際上是一個雙向?qū)щ娖骷捎诠ぷ髟淼牟煌?,而?dǎo)致了其他一些方面的差異。例如:作為主開關(guān)的MOS管通常都是硬開關(guān),因此要求開關(guān)速度快,以減小開關(guān)損耗;而作為整流/續(xù)流用的同步MOS管,則要求MOS管具有低導(dǎo)通電阻、體二極管反向恢復(fù)電荷小、柵極電阻小和開關(guān)特性好等特點(diǎn),因此,雖然兩者都是MOS管,但是它們的工作特性和損耗機(jī)理并不一樣,對它們的性能參數(shù)要求也不一樣,認(rèn)識這一點(diǎn),對于如何正確選用MOS管是有益的。
同步整流的基本電路結(jié)構(gòu)
同步整流是采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET,來取代整流二極管以降低整流損耗的一項(xiàng)新技術(shù)。它能大大提高DC/DC變換器的效率并且不存在由肖特基勢壘電壓而造成的死區(qū)電壓。功率MOSFET屬于電壓控制型器件,它在導(dǎo)通時的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOSFET做整流器時,要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能,故稱之為同步整流。
工作方式的比較
傳統(tǒng)的同步整流方案基本上都是PWM型同步整流,主開關(guān)與同步整流開關(guān)的驅(qū)動信號之間必須設(shè)置一定的死區(qū)時間,以避免交叉導(dǎo)通,因此,同步整流MOS管就存在體二極管導(dǎo)通和反向恢復(fù)等問題,從而降低同步整流電路的性能。
雙端自激、隔離式同步整流電路
實(shí)際舉例(反激同步整流設(shè)計 )
基本的反激電路結(jié)構(gòu)
一種實(shí)際的外驅(qū)電路
增加驅(qū)動能力的外驅(qū)電路
由NMOSFET構(gòu)成的反激同步整流自驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)
由PMOSFET構(gòu)成的反激同步整流自驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)
反激同步整流驅(qū)動電路選擇
同步整流管的驅(qū)動方式有三種:第一種是外加驅(qū)動控制電路,優(yōu)點(diǎn)是其驅(qū)動波形的質(zhì)量高,調(diào)試方便。缺點(diǎn)是:電路復(fù)雜,成本高,在追求小型化和低成本的今天只有研究價值,基本沒有應(yīng)用價值。上圖是簡單的外驅(qū)電路,R1D1用于調(diào)整死區(qū)。該電路的驅(qū)動能力較小,在同步整流管的Ciss較小時,可以使用。圖6是在圖5的基礎(chǔ)上增加副邊推挽驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu),可以驅(qū)動Ciss較大的MOSFET。在輸出電壓低于5V時,需要增加驅(qū)動電路供電電源。
第二種是自驅(qū)動同步整流。優(yōu)點(diǎn)是直接由變壓器副邊繞組驅(qū)動或在主變壓器上加獨(dú)立驅(qū)動繞組,電路簡單、成本低和自適應(yīng)驅(qū)動是主要優(yōu)勢,在商業(yè)化產(chǎn)品中廣泛使用。缺點(diǎn)是電路調(diào)試的柔性較少,在寬輸入低壓范圍時,有些波形需要附加限幅整形電路才能滿足驅(qū)動要求。由于Vgs的正向驅(qū)動都正比于輸出電壓,調(diào)節(jié)驅(qū)動繞組的匝數(shù)可以確定比例系數(shù),且輸出電壓都是很穩(wěn)定的,所以驅(qū)動電壓也很穩(wěn)定。比較麻煩的是負(fù)向電壓可能會超標(biāo),需要在設(shè)計變壓器變比時考慮驅(qū)動負(fù)壓幅度。
第三種是半自驅(qū)。其驅(qū)動波形的上升或下降沿,一個是由主變壓器提供的信號,另一個是獨(dú)立的外驅(qū)動電路提供的信號。上圖是針對自驅(qū)的負(fù)壓問題,用單獨(dú)的放電回路,提供同步整流管的關(guān)斷信號,避開了自驅(qū)動負(fù)壓放電的電壓超標(biāo)問題。
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