同步整流技術(shù)

1、同步整流技術(shù)簡(jiǎn)介1概述近年來(lái)，為了適應(yīng)微處理器的發(fā)展，模塊電源的發(fā)展呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì)：低壓和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在過(guò)去的10年中，模塊電源大大改善了分布式供電系統(tǒng)的面貌。即使是在對(duì)成本敏感器件如線路卡，單板安裝，模塊電源也提供了誘人的解決方案。然而，高速處理器持續(xù)降低的工作電壓需要一個(gè)全新的，適應(yīng)未來(lái)的電壓方案，尤其考慮到肖特級(jí)二極管整流模塊不能令人滿意的效率。同步整流電路正是為了適應(yīng)低壓輸出要求應(yīng)運(yùn)而生的。由于一般的肖特基二極管的正向壓降為0.3V以上，在低壓輸出時(shí)模塊的效率就不能做的很高，有資料表明采用肖特基二極管的隔離式DC-DC模塊電源的效率可以按照下式進(jìn)行估算：Vout(0.1Vou

2、tVcuVf)0.1MVout一原邊和控制電路損耗Vcu印制板的線路損耗Vf一整流管導(dǎo)通壓降損耗我們假設(shè)采用0.4V的肖特基整流二極管，印制板的線路損耗為0.1V,則1.8V的模塊最大的估算效率為72%。這意味著28%的能量被模塊內(nèi)部損耗了。其中由于二極管導(dǎo)通壓降造成的損耗占了約15%。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，低壓功率MOS管的的有著越來(lái)越小的通態(tài)電阻，越來(lái)越低的開(kāi)關(guān)損耗，現(xiàn)在IR公司最新的技術(shù)可以制作30V/2.5m的MOS管，在電流為15A時(shí)，導(dǎo)通壓降為0.0375,比采用肖特基二極管低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以近年來(lái)對(duì)同步整流電路的研究已經(jīng)引起了人們的極大關(guān)注。在中大功率低壓輸出的DC-DC變換器

3、的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，采用低壓功率MOSFET替代肖特基二極管的方案得到了廣泛的認(rèn)同。今天，采用同步整流技術(shù)的ON-BOARD模塊已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通訊的所有領(lǐng)域。2同步整流電路的工作原理圖1采用同步整流的正激電路示意圖（無(wú)復(fù)位繞組）同步整流電路與普通整流電路的區(qū)別在于它采用了MOS管代替二極管，而MOS管是它驅(qū)的開(kāi)關(guān)器件，必須采用一定的方式控制MOS管的開(kāi)關(guān)。同步整流電路中功率MOS管的驅(qū)動(dòng)方式主要有兩種：自驅(qū)動(dòng)和它驅(qū)動(dòng)。它驅(qū)動(dòng)的方式與普通MOS管的驅(qū)動(dòng)方式相同，通過(guò)控制電路控制整流和續(xù)流MOS管的柵源電壓實(shí)現(xiàn)同步開(kāi)關(guān)的目的。而自驅(qū)動(dòng)一般應(yīng)用于隔離式的變換器中，下面舉個(gè)個(gè)例子說(shuō)明上圖是同步整流電路在正激

4、電路中應(yīng)用的實(shí)例，從圖中可以看出，整流管VT3和續(xù)流管VT2的驅(qū)動(dòng)電壓從變壓器的副邊繞組取出，加在MOS管的柵G和漏D之間，如果在獨(dú)立的電路中MOS管這樣應(yīng)用不能完全開(kāi)通，損耗很大，但用在同步整流時(shí)是可行的簡(jiǎn)化方案。由于這兩個(gè)管子開(kāi)關(guān)狀態(tài)互瑣，一個(gè)管子開(kāi)，另一個(gè)管子關(guān)，所以我們只簡(jiǎn)要分析電感電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)通情況，我們知道MOS管具有體內(nèi)寄生的反并聯(lián)二極管，這樣電感電流連續(xù)應(yīng)用時(shí)，MOS管在真正開(kāi)通之前并聯(lián)的二極管已經(jīng)開(kāi)通，把源S和漏D相對(duì)柵的電平保持一致，加在GD之間的電壓等同于加在GS之間的電壓，這樣變壓器副邊繞組同銘端為正時(shí)，整流管VT3的柵漏電壓為正，整流管零壓開(kāi)通，當(dāng)變壓器副邊繞組為負(fù)

5、時(shí)，續(xù)流管VT2開(kāi)通，濾波電感續(xù)流。3同步整流電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)同步整流電路的概念由來(lái)已久，不過(guò)在產(chǎn)品中大量應(yīng)用只是最近幾年的事。這一方面是因?yàn)榘雽?dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，另一方面在隔離式變換器中采用同步整流也存在一定的問(wèn)題。下面以圖1為例進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明3.1 輕載效率低和同步整流管電壓尖峰。由于功率MOST開(kāi)通后為雙向?qū)щ娖骷?，輸出濾波電感的電流不可能不連續(xù)，當(dāng)輕載或空載時(shí)，輸出濾波電感的電流下降到0后會(huì)繼續(xù)反方向增加，直到整流二極管開(kāi)通。這樣雖然空載穩(wěn)定性很容易保證，但這時(shí)造成續(xù)流管和濾波電感的一個(gè)環(huán)流，形成濾波電感的鐵損和銅損以及續(xù)流管和輸出線路阻抗損耗比采用肖特基二極管的模塊電源效率低。這種

6、狀況下，由于濾波電感的反向電流，續(xù)流管的并聯(lián)體二極管反向，如果續(xù)流管的關(guān)斷和整流管的開(kāi)通之間的死區(qū)時(shí)間較長(zhǎng)，續(xù)流管關(guān)斷后，整流管沒(méi)有開(kāi)通，由于輸出濾波電感的電流突變，就會(huì)造成續(xù)流管漏源和整流管柵源電壓尖峰，損壞同步整流電路。在一般的MOST中，由于柵源電壓比漏源電壓低很多，這樣整流管損壞的概率比續(xù)流管大。所以在同步整流電路的設(shè)計(jì)中，一般輸出濾波電感的電感量在設(shè)計(jì)允許的條件下盡量大，這樣電感電流的上升和下降緩慢，可以大大降低電感電流的最大值，減小模塊的空載損耗。但這種設(shè)計(jì)又會(huì)造成模塊電源的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)太慢，所以還有一種解決方式是通過(guò)濾波電感電流檢測(cè)控制整流和續(xù)流二極管開(kāi)關(guān)條件，不允許電流反向。這

7、種設(shè)計(jì)已經(jīng)有產(chǎn)品應(yīng)用。3.2 驅(qū)動(dòng)不足和驅(qū)動(dòng)過(guò)壓在圖1所示的同步整流電路中，如果變壓器副邊電壓在主功率管開(kāi)通之間已經(jīng)復(fù)位到零，會(huì)造成續(xù)流管驅(qū)動(dòng)電壓提前為零，輸出濾波電感通過(guò)并聯(lián)的體二極管續(xù)流，增加模塊的損耗。另外最大和最小占空比的選擇很關(guān)鍵，如果占空比選擇不合適，在輸入電壓變化時(shí)也有可能造成整流管或續(xù)流管驅(qū)動(dòng)電壓不足或過(guò)壓，前者會(huì)造成模塊的效率低下，后者會(huì)造成模塊電源的失效。所以設(shè)計(jì)時(shí)一定要仔細(xì)計(jì)算模塊電源變壓器的驅(qū)動(dòng)電壓大小，限制控制芯片的最大驅(qū)動(dòng)脈寬，必要時(shí)輸入采用過(guò)壓和欠壓保護(hù)電路，確保不發(fā)生驅(qū)動(dòng)過(guò)壓和欠壓，同時(shí)要選用合適的電路拓?fù)?，盡量減小開(kāi)關(guān)尖峰對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的影響。如果設(shè)計(jì)指標(biāo)不能滿足

8、，可采用附加的驅(qū)動(dòng)電路或采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)繞組。論文中也有人在二次電源中采用兩級(jí)變換來(lái)保證同步整流電壓的恒定，前一級(jí)變換采用BUCKfe路進(jìn)行預(yù)穩(wěn)壓后進(jìn)行隔離降壓變換。這樣后一級(jí)變換的占空比固定為50溢右，增加了同步整流電路的可靠性。3.3 不能直接并聯(lián)當(dāng)采用圖1所示的同步整流電路的模塊直接把輸出端接在一起進(jìn)行并聯(lián)時(shí)，相當(dāng)于在模塊的輸出端并聯(lián)了一個(gè)電壓源，這樣通過(guò)邊壓器副邊繞組可以把驅(qū)動(dòng)電壓直接加到續(xù)流二極管的GS之間，會(huì)造成續(xù)流管的損壞和另一模塊輸出電壓的短路。當(dāng)然可以采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)繞組解決這個(gè)問(wèn)題，但這又增加了變壓器設(shè)計(jì)難度，降低了變壓器磁芯利用率。同時(shí)雙同步整流模塊直接并聯(lián)也會(huì)造成模塊之間的

9、環(huán)流，增加模塊的損耗。4同步整流電路的選擇依據(jù)雖然同步整流電路可以提高模塊電源的效率，但同步整流電路的應(yīng)用面還是比較窄的。采用同步整流電路的一個(gè)主要目的是提高模塊的效率，當(dāng)模塊的效率低于采用肖特基二極管時(shí)，采用同住整流電路也就失去了意義。下面介紹同步整流電路的選擇依據(jù)。從上面的介紹我們可以看出，同步整流電路的應(yīng)用只限于低壓大功率輸出的模塊，目前主要的應(yīng)用為輸出電壓小于等于5V的模塊。原因除了輕載效率低以外，還有比較重要的一點(diǎn)在于功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的滯后。在高壓輸出的應(yīng)用中，僅通態(tài)壓降一項(xiàng)指標(biāo)就很難選擇在額定輸出電流下低于快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管正向壓降的整流MOSf。另外在低壓應(yīng)用時(shí)，采用同步整

10、流電路的應(yīng)用面也有一定的局限，下面具體介紹。首先我們考察一下用戶希望的模塊性能。近幾年的便攜式設(shè)備包括電子筆記本，計(jì)算器，遠(yuǎn)程控制器，傳呼機(jī)，手提電話等，電壓為1.1-1.8V,其特點(diǎn)是負(fù)載變化大，多數(shù)情況下工作低于備用模式，長(zhǎng)期輕載運(yùn)行。要求DC-DC變換器具有如下特征：a）負(fù)載變化的整個(gè)范圍內(nèi)效率高。b）輸出電壓低（CMOSI路的損耗與電壓的平方成正比，供電電壓低，則電路損耗?。?#176;c）功率密度高。為了迎合這這種發(fā)展，一種比較簡(jiǎn)潔的解決方案是提高模塊的開(kāi)關(guān)頻率，但在頻率提高以后，同步整流電路的優(yōu)點(diǎn)逐漸減弱。從上面的介紹我們可以看出，同步整流電路通過(guò)一定的處理雖然可以滿足a），但頻率

11、增加以后，MOST整流河肖特基二極管整流的損耗發(fā)生了很大變化。圖2和圖3是一些學(xué)者做出的同步整流電路和一般肖特基二極管整流電路效率對(duì)比曲線的仿真結(jié)果。試驗(yàn)條件：輸入電壓Vin=5V輸出電壓Vout=2.0VBUCK開(kāi)關(guān)管為P溝道MOSFET,Rdson=29mQ,Qs=22.5nC,Vgs=5V,開(kāi)關(guān)時(shí)間tr=20ns,tf=30ns采用的肖特基二極管的參數(shù)Vf=0.3V3ApkTj=75oC,If（AV）max=3A同步整流電路中的續(xù)流管為N溝道MOSFET,Rdson=18mQ,Qs=22.5nC,開(kāi)關(guān)時(shí)間tr=15ns,tf=30ns同步整流電路兩路驅(qū)動(dòng)的死區(qū)時(shí)間為60ns紋波電流和平均

12、電流之間的比值為50%-60%。I%率效94929088868482807876747212345678911234567892000000000111111111fsMHz圖2同步整流電路和采用肖特基二極管電路效率隨頻率的變化曲線圖2中，rS（i,10,2）s代表同步整流電路，i表示開(kāi)關(guān)頻率，10表示輸出電流,第三項(xiàng)表示主開(kāi)關(guān)和同步整流開(kāi)管并聯(lián)的MOS管數(shù)量。從上表可以看出，采用同步整流電路在電流大于10A,開(kāi)關(guān)頻率大于700KHz以后于普通的肖特基爾基二極管整流電刀r(1.5,j,2)-ys(1.5,j,2)刀r(0.6,j,2)T-Ys(0.6,j,2)路相比效率要低。在開(kāi)關(guān)頻率低于800KHZ的場(chǎng)合，采用同步整流電路具有更好的表現(xiàn)。圖3同步整流電路和肖特基二極管整流電路在不同在不同負(fù)載下效率曲線圖2表明了在同步整流電路和肖特級(jí)二極管整流電路中，隨著負(fù)載變化效率的變化情況，我們可以看出，在1.5MHz的開(kāi)關(guān)頻率，在全負(fù)載范圍內(nèi)，肖特基二極管整流電路比同步整流電路具有更高的效率，在600KHz的開(kāi)關(guān)頻率，電流小于9A時(shí)采用同步整流電路具有更高的效率，當(dāng)電流大于9A時(shí)，采用肖特基二極管整流具有