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文檔簡介

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

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