传统二极管整流问题如何解决?详解开关电源同步整流技术
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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ΨΨ,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ζ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,它卐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ω 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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- 编辑:刘昆
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