高性能電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的同步整流技術(shù)

1、高性能電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的同步整流技術(shù)    電源轉(zhuǎn)換器的使用越來越普遍,電子設(shè)備制造商需要他們的電源系統(tǒng)不斷增加新的功能和特性,例如更低的輸入和輸出電壓、更高的電流、更快的瞬態(tài)響應(yīng)。為滿足這些需求,在上世紀(jì)90年代晚期開關(guān)電源設(shè)計(jì)師開始采用同步整流（SR）技術(shù)使用MOSFET來替代常用二極管實(shí)現(xiàn)的整流功能。SR提高了效率、熱性能、功率密度、可制造性和可靠性,并可降低整個(gè)系統(tǒng)的電源系統(tǒng)成本。本文將介紹SR的優(yōu)點(diǎn),并討論在其實(shí)現(xiàn)中遇到的挑戰(zhàn)。二極管整流的缺點(diǎn)圖1電源轉(zhuǎn)換器的使用越來越普遍,電子設(shè)備制造商需要他們的電源系統(tǒng)不斷增加新的功能和特性,例如更低的輸入

2、和輸出電壓、更高的電流、更快的瞬態(tài)響應(yīng)。為滿足這些需求,在上世紀(jì)90年代晚期開關(guān)電源設(shè)計(jì)師開始采用同步整流（SR）技術(shù)使用MOSFET來替代常用二極管實(shí)現(xiàn)的整流功能。SR提高了效率、熱性能、功率密度、可制造性和可靠性,并可降低整個(gè)系統(tǒng)的電源系統(tǒng)成本。本文將介紹SR的優(yōu)點(diǎn),并討論在其實(shí)現(xiàn)中遇到的挑戰(zhàn)。二極管整流的缺點(diǎn)圖1是非同步和同步降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。非同步降壓轉(zhuǎn)換器使用FET和肖特基二極管作為開關(guān)器件（圖1a）,當(dāng)FET打開時(shí),能量傳遞到輸出電感和負(fù)載。當(dāng)FET關(guān)斷,電感中的電流流過肖特基二極管。如果負(fù)載電流高于輸出電感的紋波電流的一半,則轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式。根據(jù)正向電壓降和反向漏電流

3、特性來選擇肖特基二極管。但是,當(dāng)輸出電壓降低時(shí),二極管的正向電壓的影響很重要,它將降低轉(zhuǎn)換器的效率。物理特性的極限使二極管的正向電壓降難以降低到0.3V以下。相反,可以通過加大硅片的尺寸或并行連接分離器件來降低MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)。因此,在給定的電流下,使用一個(gè)MOSFET來替代二極管可以獲得比二極管小很多的電壓降。這使得SR很有吸引力,特別是在對(duì)效率、轉(zhuǎn)換器尺寸和熱性能很敏感的應(yīng)用中,例如便攜式或者手持設(shè)備。MOSFET制造商不斷地引入具有更低RDS(ON)和總柵極電荷（QG）的新MOSFET技術(shù),這些新的MOSFET技術(shù)使在電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)SR更加容易。什么是同步整流？

4、例如,在同步降壓轉(zhuǎn)換器中,通過用兩個(gè)低端的MOSFET來替換肖特基二極管可以提高效率（圖1b）。這兩個(gè)MOSFET必須以互補(bǔ)的模式驅(qū)動(dòng),在它們的導(dǎo)通間隙之間有一個(gè)很小的死區(qū)時(shí)間（dead time）,以避免同時(shí)導(dǎo)通。同步FET工作在第三象限,因?yàn)殡娏鲝脑礃O流到漏極。與之對(duì)應(yīng)的非同步轉(zhuǎn)換器相比,同步降壓轉(zhuǎn)換器總是工作在連續(xù)導(dǎo)通,即使在空載的情況下也是。在死區(qū)時(shí)間內(nèi),電感電流流過低端FET的體二極管（body diode）。這個(gè)體二極管通常具有非常慢的反向恢復(fù)特性,會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率?？梢耘c低端FET并行放置一個(gè)肖特基二極管以對(duì)體二極管實(shí)現(xiàn)旁路,避免它影響到轉(zhuǎn)換器的性能。增加的肖特基二極管可以比非

5、同步降壓轉(zhuǎn)換器中的二極管低很多的額定電流,因?yàn)樗辉趦蓚€(gè)FET都關(guān)斷時(shí)的較短的死區(qū)時(shí)間（通常低于開關(guān)周期的百分之幾）內(nèi)導(dǎo)通。同步整流的好處在高性能、高功率的轉(zhuǎn)換器中使用SR的好處是可以獲得更高的效率、更低的功耗、更佳的熱性能,以及當(dāng)同步FET并行連接時(shí)固有的理想電流共享特點(diǎn),而且盡管采用自動(dòng)組裝工藝（更高的可靠性）但還是可提高制造良率。如上面提到的那樣,若干個(gè)MOSFET可以并行連接來應(yīng)對(duì)更高的輸出電流。因?yàn)樵谶@種情況下有效的RDS(ON)與并行連接的器件數(shù)量成反比,因此降低了導(dǎo)通損耗。同樣,RDS(ON)具有正的溫度系數(shù),因此FET將等量分享電流,有助于優(yōu)化在SR器件之間的熱分布,這將提高器

6、件和PCB散熱的能力,直接改善設(shè)計(jì)的熱性能。SR帶來的其他潛在的好處包括更小的外形尺寸、開放的框架結(jié)構(gòu)、更高的環(huán)境工作溫度,以及更高的功率密度。同步整流轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)折中在低電壓應(yīng)用中,設(shè)計(jì)工程師通常增加開關(guān)頻率以減小輸出電感和電容的尺寸,以此使轉(zhuǎn)換器尺寸最小化,并降低輸出紋波電壓。如果并聯(lián)多個(gè)FET,這樣的頻率增加也會(huì)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)和開關(guān)損耗, 因此必須根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)折中。例如,在高輸入電壓、低輸出電壓的同步降壓轉(zhuǎn)換器上,因?yàn)楣ぷ鳁l件是高端FET比低端FET具有更低的RMS電流,因此高端FET應(yīng)該選擇具有低QG和高RDS(ON)的器件。對(duì)于這個(gè)器件來說,降低開關(guān)損耗比導(dǎo)通損耗更重要。相反

7、,低端FET承載更大的RMS電流,因此RDS(ON)應(yīng)該盡可能低。在同步轉(zhuǎn)換器中選擇具有更強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的控制器,通過使FET開關(guān)所用的時(shí)間最短,將能減少開關(guān)損耗。然而,更快的上升和下降時(shí)間可產(chǎn)生高頻噪聲,這種噪聲可以導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲和EMI問題。隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同步整流轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)采用隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)換器被用在需要在系統(tǒng)地之間進(jìn)行隔離的系統(tǒng)中。這樣的系統(tǒng)包括分布式總線架構(gòu)、以太網(wǎng)供電系統(tǒng)和無線基站（圖2）。在隔離轉(zhuǎn)換器中采用SR可以大大地提高其性能。所有的隔離拓?fù)?包括正激、反激、推挽、半橋和全橋（電流和電壓反饋）都可以進(jìn)行同步整流。然而,在每個(gè)拓?fù)渲械腟R提供的足夠的、適時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)都有其自身的挑

8、戰(zhàn)性。針對(duì)隔離拓?fù)涞拇渭?jí)FET的驅(qū)動(dòng)方案基本上有兩種：自驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O信號(hào)直接從次級(jí)變壓器繞組獲得,控制驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O信號(hào)從PWM控制器或一些其他初級(jí)的基準(zhǔn)信號(hào)獲得。對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用,這些驅(qū)動(dòng)可以有幾種不同的實(shí)現(xiàn)方法。設(shè)計(jì)師應(yīng)該選擇能滿足性能要求的最簡單的解決方案。自驅(qū)動(dòng)方案是最簡單、直接的SR驅(qū)動(dòng)方案（圖3）,適合于那些在任何時(shí)間段內(nèi)變壓器電壓都不為零的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩個(gè)SR FET可替代輸出整流二極管,次級(jí)繞組產(chǎn)生的電壓驅(qū)動(dòng)SR的柵極。在大多數(shù)情況下,利用不同的變壓器線圈匝數(shù)比（NP NS1NS2）和正確選擇SR FET,相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以獲得更高或更低的輸出電壓。對(duì)于那些變壓器電壓周期性歸零,并維持為

9、零的拓?fù)鋪碚f,自驅(qū)動(dòng)SR的主要問題是,在這些間隙時(shí)間內(nèi)沒有信號(hào)來驅(qū)動(dòng)SR FET的柵極。在這些時(shí)間內(nèi),SR的寄生二極管導(dǎo)通,這樣就增加了功率損耗。更低的輸出電壓可能需要額外的繞組來增加施加在SR FET柵極上的工作電壓到一個(gè)足夠的水平。由于次級(jí)線圈電壓隨輸入線電壓而變化,SR柵極上的電壓將改變。由于RDS(ON)決定于柵極-源極電壓（VGS）,因此將影響到效率。在寬輸入電壓范圍的轉(zhuǎn)換器中,RDS(ON)的變化范圍可以高達(dá)21。有一個(gè)可替代的柵極驅(qū)動(dòng)方法,該方法可以用于基于變壓器的拓?fù)?。在低電壓、高電流的?yīng)用中,這些驅(qū)動(dòng)方法既可減少與死區(qū)時(shí)間間隙相關(guān)的損耗,又可產(chǎn)生幅度幾乎不變的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖,因

10、此效率不會(huì)受到線電壓的變化帶來的負(fù)面影響?？刂乞?qū)動(dòng)方案可以解決自驅(qū)動(dòng)方法的局限。然而,它們通常更加復(fù)雜,而且昂貴。根據(jù)自驅(qū)動(dòng)方案的器件密度,控制驅(qū)動(dòng)方案實(shí)際上可能是更好的選擇。用于驅(qū)動(dòng)SR FET的控制信號(hào)可以從原級(jí)或次級(jí)端參考控制器獲得。應(yīng)用實(shí)例LM2747是美國國家半導(dǎo)體公司新推的一款PWM同步降壓控制器,適合為有線調(diào)制解調(diào)器、DSL、ADSL、激光和噴墨打印機(jī)、便攜式運(yùn)算應(yīng)用、ASIC、DSP及FPGA等內(nèi)核提供穩(wěn)壓供電,典型應(yīng)用電路如圖4所示。該芯片電壓反饋準(zhǔn)確度可達(dá)1%,對(duì)于工作電壓低于1V的內(nèi)核來說,這個(gè)準(zhǔn)確度尤其重要。此外,該芯片也可支持高頻操作,因此有助于縮小電源系統(tǒng)的體積。該芯片的最短導(dǎo)通時(shí)間只有40ns,因此以1MHz開關(guān)頻率工作時(shí),可以利用12V供電電壓提供0.6V的輸出。LM2747芯片還有其他功能,包