半同步整流電路設計模塊

1、硬件電路設計模塊 模塊編碼： TS-C010203007 版本： V1.0 密級：秘密 ENP 研究管理部 執(zhí)筆人：范國平 頁數(shù)：共 15 頁 半同步整流電路設計模塊 實施日期 實施 發(fā)布日期 發(fā)布 艾默生網(wǎng)絡能源有限公司 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0 文件編碼： TS-C010203007 前言 本模塊于發(fā)布日期首次發(fā)布； 本模塊起草單位： DC/DC 研發(fā)部、研究管理部技術管理處； 本模塊執(zhí)筆人：范國平 本模塊主要起草人：范國平 張輝 唐志 李衛(wèi)平 本模塊標準化審查人： 林攀 本模塊批準人：董曉鵬 本模塊修改記錄： 第 2 頁 共 16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0

2、 文件編碼： TS-C010203007 更改信息表 版本 更改原因 更改說明 更改人 更改時間 第 3 頁 共 16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0 文件編碼： TS-C010203007 目錄 前言2. 更改信息表 3. 目錄4. 摘要5. 關鍵詞 5. 專業(yè)術語 5. 1來源 5. 2滿足技術指標 5. 3詳細電路圖 5. 4電路原理 6. 5電路比較 6. 6電路選擇及 電路調(diào)試 1.1 7元器件清單 1.4 8附件清單 1.4. 第 4 頁 共 16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0 文件編碼： TS-C010203007 摘要 本規(guī)范基于 AG25 產(chǎn)品介紹了

3、半同步整流電路，比較分析了同步整流電路、 半同步整流電路以及肖特基二極管整流電路，指出了半同步整流電路的適用范 圍，詳細分析了該電路的設計思路及方法，介紹了電路的設計及調(diào)試要點。 關鍵詞 半同步整流、防反灌、防反壓、諧振復位、 同步驅(qū)動 專業(yè)術語 正激電路、同步整流、諧振復位、肖特基二極管整流、半同步整流 1 來源 本設計規(guī)范主要來源于 AG25-48S05/03 產(chǎn)品，適用于中小功率模塊 2 滿足技術指標 項目 指標 效率 5V ：88% 3.3V：84% 防反灌功能 有 防反壓功能 有 3 詳細電路圖 圖一：半同步整流主電路圖 第 5 頁 共16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0

4、 文件編碼： TS-C010203007 4 電路原理 半同步整流電路采用單端正激 +諧振復位電路，副邊采用 MOS 整流，肖特 基二極管續(xù)流的半同步整流電路，整流管驅(qū)動與原邊主 MOS 管同步驅(qū)動，傳遞 能量， MOS 管關斷后通過肖特基管續(xù)流實現(xiàn)能量交換。該電路效率較肖特基整 流效率有了明顯的提高， 同時又可以防反灌、 防反壓， 避免了同步整流電路的缺 點，控制電路簡單，設計和調(diào)試簡單，特別適合應用在中小功率電路設計中。 5 電路比較 同步整流、肖特基二極管整流電路、半同步整流電路比較及選用 1、電路拓撲比較 A、肖特基二極管整流電路 L1 D3 +VO 1 O N2 D1 C2 C3 -

5、VO 圖二：肖特基二極管整流主電路圖 肖特基二極管整流電路電路拓撲簡單， 控制簡單。由于采用肖特基二極管整 流，在電路原理上可以避免反灌，同時也可以防反壓，而且二極管無需控制，大 大簡化了電路；但同時由于肖特基二極管壓降比較大，對于低壓大電流應用中， 肖特基二極管的損耗也就相對比較大了， 模塊效率會比較低， 散熱比較困難， 不 適合應用在這種條件下；在中小功率高電壓輸出比如 12V、15V 輸出應用中，二 極管的損耗就相對很小了，采用這種電路就有優(yōu)勢。 B、同步整流電路 為了克服低壓大電流應用中由二極管帶來的損耗，整流管和續(xù)流管采用 MOS 管，即采用同步整流電路，由于 MOS管壓降遠小于肖特

6、基二極管的壓降， 故同步整流的副邊損耗可以大大降低， 從而大大提高了模塊的效率。 但由于 MOS 管需要驅(qū)動，這就需要增加控制電路，而這也帶來了相關的問題，比如反灌、反 壓問題，以下是幾種同步整流電路的控制方式： 1、同步整流電路方案選擇一 第6 頁 共16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0 文件編碼： TS-C010203007 +VI VCC C7 -VI Q4 R2 R3 Q5 O 5 C 副邊整流管驅(qū)動部分的電壓 Vgs為：Vgs Vin N4 N1 關斷反壓為： Vgs Vcr N4 N1 DRIVE 圖三：同步整流主電路圖一 優(yōu)點：（ 1）輔助驅(qū)動繞組獨立，副邊 MOS

7、管Vgs更好控制 （2）可以防反灌 Vcr 為原邊諧振電壓 副邊續(xù)流管驅(qū)動部分的電壓 Vgs 為：Vgs Vcr N3 N1 由于 N3 和 N4 的選取可以根據(jù)副邊所選用整流管及續(xù)流管的驅(qū)動門檻電壓 和最大允許電壓選取， 不直接受副邊匝數(shù) N2 的限制，設計和調(diào)試就相對簡單了 2、同步整流電路方案選擇二 R4 +VO O +VI 1 VCC C1 C7 Q N4 O N2 Q2 Q3 L1 -VI C2 C3 -VO 1 R3 Q5 Q1 DRIVE 圖四：同步整流主電路圖 第7 頁 共16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0 文件編碼： TS-C010203007 優(yōu)點：輔助驅(qū)動繞

8、組獨立，副邊 MOS 管Vgs更好控制 缺點：不可以防反灌 缺點：（1）、不可以防反灌 （2）無獨立驅(qū)動繞組，驅(qū)動電壓直接由副邊提供，設計和調(diào)試更難 優(yōu)點：控制簡單 副邊整流管驅(qū)動部分的電壓 Vgs為：Vgs Vin N2 N1 關斷反壓為： Vgs Vcr N2 N1 Vcr 為原邊諧振電壓 副邊續(xù)流管驅(qū)動部分的電壓 Vgs為：Vgs Vcr N2 N1 由上面可以看出，驅(qū)動電壓受 N2 匝比限制，而 N 2由輸入輸出電壓決定， N1 N1 因此整流管和續(xù)流管選擇余地比較小，設計和調(diào)試就比較困難了。 C、半同步整流電路 半同步整流電路副邊整流管采用 MOS 管、續(xù)流管采用肖特基整流管，整流

9、管與原邊主 MOS 管同步控制，由于整流管采用了 MOS 管，這樣可以降低整流 第 8 頁 共 16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0 文件編碼： TS-C010203007 管上的損耗從而降低副邊的損耗， 提高模塊的效率， 而且整流管控制可以直接通 過變壓器控制驅(qū)動， 簡化了電路， 由于提高了效率， 同時電路相對也簡單， 因此， 這種電路特別適合于中低功率低壓 2.5V 、3.3V、5V 電路設計中，以下是幾種半 同步整流電路控制方案： 1、半同步整流電路方案選擇一 優(yōu)點：驅(qū)動無負壓（除磁復位短時間外） 缺點：不可以防反灌 L1 圖六：半同步整流主電路圖一 2）需另加防反灌電路 圖

10、七：半同步整流主電路圖 2、半同步整流電路方案選擇二 缺點：（ 1）無獨立驅(qū)動繞組，驅(qū)動電壓直接由副邊提供，設計和調(diào)試更難 三、半同步整流電路方案選擇三 優(yōu)點：（ 1）可以防反灌 （2）輔助驅(qū)動繞組獨立，副邊 MOS 管Vgs更好控制 第9 頁 共16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0 文件編碼： TS-C010203007 四、半同步整流電路方案選擇四 優(yōu)點：（ 1）可以防反灌 （2）輔助驅(qū)動繞組獨立，副邊 MOS 管Vgs更好控制 （3）整體效率略高于方案三 圖九：半同步整流主電路圖四 以上比較了四種半同步整流的優(yōu)缺點， 第四種半同步整流電路采用單獨繞組 進行控制驅(qū)動，控制簡單，

11、繞組匝數(shù)可以根據(jù) MOS 管驅(qū)動電壓范圍選取。由于 采用單獨繞組驅(qū)動， 繞組驅(qū)動電壓由變壓器變比確定， 驅(qū)動信號與原邊 MOSFET 同步，由控制芯片決定，因此可以實現(xiàn)防反灌、防反壓功能。相對這四種半同步 整流電路而言，這種半同步整流電路更適合電路設計應用。 從以上分析可以看出， 對于控制電路， 肖特基二極管整流電路最簡單， 同步 整流電路最復雜； 而對于效率及散熱而言， 肖特基二極管整流電路效率最低， 同 步整流電路效率最高， 因此電路設計時必須綜合考慮這兩個因素， 對于高壓輸出 特別是中小功率的高壓輸出（ 12V 、15V）的模塊，采用肖特基二極管整流電路 就很合適，這樣可以采用最少的器件

12、，控制最為簡單，同時效率也比較高；而對 于低壓大電流輸出的模塊，同步整流電路就顯示出了它的優(yōu)勢；對于中低功率 （2.5V、3.3V、5V）的應用，半同步整流電路變極為適合了，一是采用半同步 第 10 頁 共 16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0 文件編碼： TS-C010203007 整流電路效率比較高，散熱不存在問題；二來控制電路也比較簡單。 2 、電路效率比較 為了定量分析半同步整流、肖特基整流、同步整流電路拓撲對效率的影響， 分別把這三種電路應用于 AG25-48S05電路，對比 Vin =48V輸入電壓下各自的效 率： 同步整流 MOS 管選用 FARICHILD 公司的

13、FDS6670A，肖特基二極管選用 ON 公司的 MBRD1035CTL ，查得對應的應用手冊 FDS6670A 導通電阻在 VGS=4.5V 時為 0.010 ，Qgs 9nC ，COSS=820pF，MBRD1035CTL 在 5A常溫 下導通壓降： VF =0.47V 。AG25-48S05 的變壓器匝比為 4：1，48V 輸入下的占 空比 D 大約為 46%，諧振電壓為 Vcr =80V 。 對于同步整流電路副邊的整流管、 1 Vcr 2 2 Coss( ) fs I 2RMS Rds(on) 2n 1 820 80 2 330 103 10 12 24 48 3 12 330 103

14、 10 12 0.324W 4 續(xù)流管的損耗可以計算為： PlossI1RMS Rds(on ) (5* 0.46)2 0.01 21 Coss(Vnin ) 2 fs 21 (5* 0.54 )2 0.01 820 2 另外由于同步整流電路續(xù)流管還需要驅(qū)動變壓器及相應的控制電路驅(qū)動， 這 一部分也會給電路帶來相應的功率損耗， 造成效率相對半同步整流電路沒有明顯 的提高。 對于半同步整流電路副邊 MOS 管及肖特基二極管的損耗可以計算為： 1RMS Rds( on) 21Coss(Vncr )2 fs Io VF (1 D) 2n (5* 0.46)2 0.01 0.47* 5 * 0.54

15、1.384W 對于肖特基二極管整流電路副邊肖特基二極管損耗可以計算為： 0.47*5=2.35W，肖特基二極管的導通損耗占總功率的 9.4%，相對半同步整流電 路降低了將近 4 個百分點。 6 電路選擇及電路調(diào)試 AG25-48S05設計初期，考慮到熱設計的要求，對主電路拓撲進行了各種比 較優(yōu)化。 首先 AG25-48S05 預研初期采用同步整流電路進行了設計， 并且搭接了電路 進行實驗， 48V 輸入下測試的效率為 89%，但控制電路相對較為復雜， 帶來了一 些如反灌等缺點， 需要另外加一些控制電路來消除這些不利影響， 而且控制電路 本身也帶來了效率的降低和成本的增加。 另外 AG25-48

16、S05 由于采用了開放式結 構，主板的面積有限， 要另外加電路比較困難， 而且采用同步整流電路也會增加 調(diào)試的難度，因此，項目組實驗了半同步整流電路作為主電路拓撲進行了實驗。 第 11 頁 共 16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0 文件編碼： TS-C010203007 半同步整流電路整流管采用 MOSFET 作為開關管、肖特基二極管作為續(xù)流 管，驅(qū)動另外外加繞組驅(qū)動，由于與原邊 MOSFET 管同步驅(qū)動，整流管控制簡 單，48V 輸入電壓下同一變壓器、同一電感下效率為 88.8%，略低于同步整流電 路，但是由于電路拓撲固有的特性，控制電路相對同步整流電路大大的簡化了， 使得布線簡

17、單， 同時由于控制電路上的簡化， 效率相對同步整流電路也沒有明顯 的降低，熱方面也完全可以滿足要求。 另外，在 AG25-48S05 的開發(fā)過程中，項目組也采用了肖特基二極管整流進 行了實驗，由于肖特基二極管本身的損耗，電路效率很低， 48V 輸入電壓下同一 變壓器、同一電感下效率僅為 85.3%，熱方面比較臨界。 針對三種電路的比較， AG25-48S05 采用了半同步整流電路作為主拓撲結構， 對電路進行了詳細的設計和調(diào)試， 下圖電路為 AG25 電路所選擇的半同步整流主 電路： +vin -vin C1 1 2 2 Q4 3 D83 R57A L2 C54 C55A +Uo -Uo 設計調(diào)

18、試要點： 這里主要介紹一下變壓器匝比的確定及續(xù)流管的選擇 變壓器匝比的確定必須遵從以下的原則： a、驅(qū)動必須保證低溫低壓輸入時副邊整流管驅(qū)動繞組能夠驅(qū)動所選 用的 MOS 管； b、驅(qū)動必須保證整流管 Vgs 不能超標； c、變壓器效率最優(yōu)化，鐵損、銅損接近； d、應考慮輔助電源電壓范圍； 以上幾條必須在設計變壓器時詳細考慮。 1、變壓器的選擇 a、原邊副邊匝數(shù)的選擇 匝比的選擇根據(jù)輸入輸出電壓可以算出為 4：1 原副邊匝數(shù)的選擇應該盡量 使效率得到優(yōu)化，鐵損、銅損接近，這一部分的內(nèi)容可以參考 AG25-48S05 設計 計算書。 b、輔助電源匝數(shù)的選擇 輔助電源的匝數(shù)選取原則可以根據(jù)輸出上調(diào)

19、和下調(diào)來選擇， 總體原則為： 上 調(diào)時，輔助電源電壓不能太高，盡量控制在 16V 以下，過壓時不要超過控制芯 片要求；下調(diào)時輔助電源應該保證電流連續(xù)時輔助電源工作， 保證啟動電路關斷， 這樣下調(diào)時效率可以得到保證。 根據(jù)這個原則， AG25-48S05輔助電源匝數(shù)選取為 8 匝，輸出標稱電壓時的 第 12 頁 共 16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0 文件編碼： TS-C010203007 8 輔助電源電壓為： V輔助5.3 0.6 13.53V 3 下調(diào)時輔助電源電壓為： V輔助 8 4 8 0.6 12 2V 3 上調(diào)時輔助電源電壓為： V輔助 8 5.8 0.6 14 87V

20、 3 以上計算考慮了副邊線路壓降為 0.3V（包括管子的壓降） ，原邊輔助電源線 路壓降為 0.6V（包括輔助繞組邊二極管的壓降） 。從上面計算可以看出，輔助電 源的電壓下調(diào)時可以保證啟動電源可靠關斷，上調(diào)時輔助電源電壓也不會太高， 過壓時也不會超標。 c、動繞組匝數(shù)的選擇 AG25-48S05 選用 FDS6670 作為整流管， FDS6670 的最小驅(qū)動電壓典型為 1.6V（最大 3V），最大不能超過 20V， Vds 最大為 30V，變壓器匝數(shù)比為 12：3， 選取驅(qū)動繞組為一匝，這樣驅(qū)動電壓可以保證在 3.2V-6.25V 之間，保證了整流 管可以驅(qū)動，電壓也不會超標；關斷時 Vgs

21、Vcr N3 Vcr 1 Vcr 。原邊諧振 gs N1 12 12 電壓尖峰只有超過 240V 時，整流管驅(qū)動反壓才會超標，因此只要原邊 MOS 管 應力沒有很大的超標，副邊整流管 Vgs 應力肯定不會超標，調(diào)試就比較容易了； 如果選取匝數(shù)為 2 匝，驅(qū)動電壓可以計算為： 6.4-12.5V 之間，加上電壓尖峰， Vgs 容易超標；關斷時，諧振電壓反射過來的電壓 Vgs Vcr N3 N1 Vcr 2 Vcr 12 6 ，可 以看出，原邊諧振電壓尖峰超過 120V 時，此時原邊應力沒有超標，但整流管驅(qū) 動反壓已經(jīng)超標了， 調(diào)試就比較困難了， 必須保證 36V 輸入時原邊 MOS 管電壓 應力

22、控制在 156V，這就比較困難了，同樣整流管的 Vds 也容易超標，這樣就會給 后續(xù)的調(diào)試工作帶來極大的困難。 2、續(xù)流管的選擇 續(xù)流管選擇主要考慮電壓電流應力： 續(xù)流管電壓應力最大值出現(xiàn)在高壓輸入時，此時續(xù)流管應力為： V 75 Vds Vin 75 18.75V ，加上尖峰電壓， 續(xù)流管電壓應該選取 30V 以上的肖特基 n4 二極管，電流應力最大值出現(xiàn)在短路情況下， AG25-48S05 額定電流為 5A，短路 電流為 7A左右，因此電流應該選取 10A 左右的二極管，根據(jù)公司的器件平臺， 續(xù)流管選取 ON 公司的 MBRD1035CTL ，電壓最大值 35V，電流最大值 10A，為 DPAK 封裝，符合步板要求。 第 13 頁 共 16 頁 半同步整流電路設計模塊 版本： 1.0 文件編碼： TS-C01020300