同步整流技術及其在DCDC變換器中的應用

1、同步整流技術及其在DC/DC變換器中的應用    摘要：同步整流技術是采用通態(tài)電阻極低的功率MOSFET來取代整流二極管，因此能大大降低整流器的損耗，提高DCDC變換器的效率，滿足低壓、大電流整流的需要。首先介紹了同步整流的基本原理，然后重點闡述同步整流式DCDC電源變換器的設計。關鍵詞：同步整流；磁復位；箝位電路；DCDC變換器1    同步整流技術概述    近年來隨著電源技術的發(fā)展，同步整流技術正在向低電壓、大電流輸出的DCDC變換器中迅速推廣應用。DCDC變換器的損耗主要由3部分組成：功

2、率開關管的損耗，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，整流二極管的導通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出?？旎謴投O管（FRD）或超快恢復二極管（SRD）可達1.01.2V，即使采用低壓降的肖特基二極管（SBD），也會產生大約0.6V的壓降，這就導致整流損耗增大，電源效率降低。舉例說明，目前筆記本電腦普遍采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供電電壓，所消耗的電流可達20A。此時超快恢復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到（1840）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現低電

3、壓、大電流開關電源高效率及小體積的需要，成為制約DCDC變換器提高效率的瓶頸。    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新技術。它能大大提高DCDC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，它在導通時的伏安特性呈線性關系。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。    為滿足高頻、大容量同步整流電路的需要，近年來一些專用功率MOSFET不斷問世，典型產品有FAIRCH

4、ILD公司生產的NDS8410型N溝道功率MOSFET，其通態(tài)電阻為0.015。Philips公司生產的SI4800型功率MOSFET是采用TrenchMOSTM技術制成的，其通、斷狀態(tài)可用邏輯電平來控制，漏源極通態(tài)電阻僅為0.0155。IR公司生產的IRL3102（20V61A）、IRL2203S（30V116A）、IRL3803S（30V100A）型功率MOSFET，它們的通態(tài)電阻分別為0.013、0.007和0.006，在通過20A電流時的導通壓降還不到0.3V。這些專用功率MOSFET的輸入阻抗高，開關時間短，現已成為設計低電壓、大電流功率變換器的首選整流器件。  

5、  最近，國外IC廠家還開發(fā)出同步整流集成電路（SRIC）。例如，IR公司最近推出的IR1176就是一種專門用于驅動N溝道功率MOSFET的高速CMOS控制器。IR1176可不依賴于初級側拓撲而單獨運行，并且不需要增加有源箝位（active clamp）、柵極驅動補償等復雜電路。IR1176適用于輸出電壓在5V以下的大電流DCDC變換器中的同步整流器，能大大簡化并改善寬帶網服務器中隔離式DCDC變換器的設計。IR1176配上IRF7822型功率MOSFET，可提高變換器的效率。當輸入電壓為48V，輸出為1.8V、40A時，DCDC變換器的效率可達86，輸出為1.5V時的效率仍可達到8

6、5。2    同步整流的基本原理    單端正激、隔離式降壓同步整流器的基本原理如圖1所示，V1及V2為功率MOSFET，在次級電壓的正半周，V1導通，V2關斷，V1起整流作用；在次級電壓的負半周，V1關斷，V2導通，V2起到續(xù)流作用。同步整流電路的功率損耗主要包括V1及V2的導通損耗及柵極驅動損耗。當開關頻率低于1MHz時，導通損耗占主導地位；開關頻率高于1MHz時，以柵極驅動損耗為主。圖1    單端降壓式同步整流器的基本原理圖2.1    磁復位電路的設計 &

7、#160;  正激式DCDC變換器的缺點是在功率管截止期間必須將高頻變壓器復位，以防止變壓器磁芯飽和，因此，一般需要增加磁復位電路（亦稱變壓器復位電路）。圖2示出單端降壓式同步整流器常用的3種磁復位電路：輔助繞組復位電路，R，C，VDZ箝位電路，有源箝位電路。3種磁復位的方法各有優(yōu)缺點：輔助繞組復位法會使變壓器結構復雜化；R，C，VDZ箝位法屬于無源箝位，其優(yōu)點是磁復位電路簡單，能吸收由高頻變壓器漏感而產生的尖峰電壓，但箝位電路本身也要消耗磁場能量；有源箝位法在上述3種方法中的效率最高，但提高了電路的成本。（a）輔助繞組復位電路    

8、0;   （b）R、C、VDZ箝位電路        （c）有源箝位電路圖2    單端降壓式同步整流器常用的三種磁復位電路    磁復位要求漏極電壓要高于輸入電壓，但要避免在磁復位過程中使DPASwitch的漏極電壓超過規(guī)定值，為此，可在次級整流管兩端并聯(lián)一個RS、CS網絡，電路如圖3所示。該電路可使高頻變壓器在每個開關周期后的能量迅速恢復到一個安全值，保證UD>UI。當DPASwitch關斷時，磁感應電流就通過變壓器的次級繞組流出，利用電容CS使磁感應電流減至零。CS的電容量必須足夠小，才能在最短的關斷時間內將磁感應電流衰減到零；但CS的電容量也不能太小，以免漏極電壓超過穩(wěn)壓管的箝位電壓。電阻RS的電阻值應在15之間，電阻值過小會與內部寄生電感形成自激振蕩。上述磁復位電路適用于40W以下的開關電源。圖3    并聯(lián)RS、CS網絡的磁復位電路2.2    磁復位電路的校驗    當輸入電壓