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解决电源设计难题:详谈开关电源同步整流技术

发布时间:2019-12-02 责任编辑:xueqi

【导读】同步整流技术就是采用低导通电阻的功率MOS管代替开关变换器快恢复二极管,起整流管的作用,从而达到降低整流损耗,提高效率的目的。通常,变换器的主开关管也采用功率MOS管,但是二者还是有一些差异的。
 
传统二极管整流问题
 
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。
 
问题举例
 
但设采用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。
 
同步整流技术引言
 
在电源转换领域,输出直流电压不高的隔离式转换器都使用 MOSFET作为整流器件。由於这些器件上的导通损耗较小,能够提高效率因而应用越来越广泛;
 
为了这种电路能够正常运作,必须对同步整流器(SR)加以控制,这是基本的要求。同步整流器是用来取代二极管的,所以必须选择适当的方法,按照二极管的工作规律来驱动同步整流器。驱动信号必须用PWM控制信号来形成,而PWM控制信号决定著开关型电路的不同状态。
 
同步整流器件的特点
 
同步整流技术就是采用低导通电阻的功率MOS管代替开关变换器快恢复二极管,起整流管的作用,从而达到降低整流损耗,提高效率的目的。通常,变换器的主开关管也采用功率MOS管,但是二者还是有一些差异的。
 
功率MOS管实际上是一个双向导电器件,由于工作原理的不同,而导致了其他一些方面的差异。例如:作为主开关的MOS管通常都是硬开关,因此要求开关速度快,以减小开关损耗;而作为整流/续流用的同步MOS管,则要求MOS管具有低导通电阻、体二极管反向恢复电荷小、栅极电阻小和开关特性好等特点,因此,虽然两者都是MOS管,但是它们的工作特性和损耗机理并不一样,对它们的性能参数要求也不一样,认识这一点,对于如何正确选用MOS管是有益的。
 
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。
 
工作方式的比较
 
传统的同步整流方案基本上都是PWM型同步整流,主开关与同步整流开关的驱动信号之间必须设置一定的死区时间,以避免交叉导通,因此,同步整流MOS管就存在体二极管导通和反向恢复等问题,从而降低同步整流电路的性能。
 
双端自激、隔离式同步整流电路
 
 
实际举例(反激同步整流设计 )
 
基本的反激电路结构
 
 
一种实际的外驱电路
 
 
增加驱动能力的外驱电路
 
 
由NMOSFET构成的反激同步整流自驱动电路结构
 
 
由PMOSFET构成的反激同步整流自驱动电路结构
 
 
反激同步整流驱动电路选择
 
同步整流管的驱动方式有三种:第一种是外加驱动控制电路,优点是其驱动波形的质量高,调试方便。缺点是:电路复杂,成本高,在追求小型化和低成本的今天只有研究价值,基本没有应用价值。上图是简单的外驱电路,R1D1用于调整死区。该电路的驱动能力较小,在同步整流管的Ciss较小时,可以使用。图6是在图5的基础上增加副边推挽驱动电路的结构,可以驱动Ciss较大的MOSFET。在输出电压低于5V时,需要增加驱动电路供电电源。
 
第二种是自驱动同步整流。优点是直接由变压器副边绕组驱动或在主变压器上加独立驱动绕组,电路简单、成本低和自适应驱动是主要优势,在商业化产品中广泛使用。缺点是电路调试的柔性较少,在宽输入低压范围时,有些波形需要附加限幅整形电路才能满足驱动要求。由于Vgs的正向驱动都正比于输出电压,调节驱动绕组的匝数可以确定比例系数,且输出电压都是很稳定的,所以驱动电压也很稳定。比较麻烦的是负向电压可能会超标,需要在设计变压器变比时考虑驱动负压幅度。
 
第三种是半自驱。其驱动波形的上升或下降沿,一个是由主变压器提供的信号,另一个是独立的外驱动电路提供的信号。上图是针对自驱的负压问题,用单独的放电回路,提供同步整流管的关断信号,避开了自驱动负压放电的电压超标问题。
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