電源提示：自驅(qū)動(dòng)同步整流器

許多工業(yè)和企業(yè)應(yīng)用通常需要隔離電源。設(shè)計(jì)此類(lèi)電源需要使用光耦合器進(jìn)行反饋控制，這增加了另一層復(fù)雜性。TI 的 LM5017/8/9 和 LM5160 恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 同步降壓穩(wěn)壓器系列具有特定的特性，使其能夠在 fly-buck 拓?fù)渲惺褂?，從而無(wú)需光耦合器并大大降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、成本材料清單 (BOM) 和印刷電路板 (PCB) 的成本。

LM5017是一個(gè)100 v, 600 ma的同步降壓穩(wěn)壓器，集成了高側(cè)和低側(cè)mosfet。在LM5017中采用的恒定準(zhǔn)時(shí)(COT)控制方案不需要環(huán)路補(bǔ)償，提供了優(yōu)秀的瞬態(tài)響應(yīng)，并使非常高的降壓比。接通時(shí)間與輸入電壓成反比變化，導(dǎo)致在輸入電壓范圍內(nèi)幾乎保持恒定的頻率。高壓?jiǎn)?dòng)調(diào)節(jié)器為集成電路的內(nèi)部操作和集成柵極驅(qū)動(dòng)器提供偏置電源。

峰值限流電路可防止過(guò)載。欠壓鎖定(UVLO)電路允許獨(dú)立編程輸入欠壓門(mén)限和遲滯。其他保護(hù)功能包括熱關(guān)閉和偏置電源欠壓鎖定(VCC UVLO)。

傳統(tǒng)的fly-buck使用二極管對(duì)隔離輸出進(jìn)行整流；然而，這種方法的輸出調(diào)節(jié)會(huì)隨著電流的增加而降低，從而導(dǎo)致效率和熱性能下降。在保持可接受的效率和調(diào)節(jié)率的同時(shí)最大化電流傳輸?shù)囊环N方法是使用同步整流器。

同步整流管的驅(qū)動(dòng)方式有三種：第一種是外加驅(qū)動(dòng)控制電路，優(yōu)點(diǎn)是其驅(qū)動(dòng)波形的質(zhì)量高，調(diào)試方便。缺點(diǎn)是：電路復(fù)雜，成本高，在追求小型化和低成本的今天只有研究?jī)r(jià)值，基本沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值。圖5是簡(jiǎn)單的外驅(qū)電路，R1D1用于調(diào)整死區(qū)。該電路的驅(qū)動(dòng)能力較小，在同步整流管的Ciss較小時(shí)，可以使用。圖6是在圖5的基礎(chǔ)上增加副邊推挽驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)，可以驅(qū)動(dòng)Ciss較大的MOSFET。在輸出電壓低于5V時(shí)，需要增加驅(qū)動(dòng)電路供電電源。
第二種是自驅(qū)動(dòng)同步整流。優(yōu)點(diǎn)是直接由變壓器副邊繞組驅(qū)動(dòng)或在主變壓器上加獨(dú)立驅(qū)動(dòng)繞組，電路簡(jiǎn)單、成本低和自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)是主要優(yōu)勢(shì)，在商業(yè)化產(chǎn)品中廣泛使用。缺點(diǎn)是電路調(diào)試的柔性較少，在寬輸入低壓范圍時(shí)，有些波形需要附加限幅整形電路才能滿足驅(qū)動(dòng)要求。圖7和圖8是四種反激同步整流的電路結(jié)構(gòu)。由于Vgs的正向驅(qū)動(dòng)都正比于輸出電壓，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)繞組的匝數(shù)可以確定比例系數(shù)，且輸出電壓都是很穩(wěn)定的，所以驅(qū)動(dòng)電壓也很穩(wěn)定。比較麻煩的是負(fù)向電壓可能會(huì)超標(biāo)，需要在設(shè)計(jì)變壓器變比時(shí)考慮驅(qū)動(dòng)負(fù)壓幅度。
第三種是半自驅(qū)。其驅(qū)動(dòng)波形的上升或下降沿，一個(gè)是由主變壓器提供的信號(hào)，另一個(gè)是獨(dú)立的外驅(qū)動(dòng)電路提供的信號(hào)。圖9是針對(duì)自驅(qū)的負(fù)壓?jiǎn)栴}，用單獨(dú)的放電回路，提供同步整流管的關(guān)斷信號(hào)，避開(kāi)了自驅(qū)動(dòng)負(fù)壓放電的電壓超標(biāo)問(wèn)題。

TI 使用 LM5160 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì) 15W 隔離式自驅(qū)動(dòng)同步反相 Fly-Buckboost 參考設(shè)計(jì) 是使用 LM5160 穩(wěn)壓器作為 fly-buck 來(lái)生成能夠提供 3A 連續(xù)電流的 5V 輸出的示例。此設(shè)計(jì)使用自驅(qū)動(dòng)繞組來(lái)驅(qū)動(dòng)同步整流器的柵極。圖 1 顯示了配置為反相降壓-升壓配置的初級(jí)側(cè)，其原因?qū)⒃诤竺娓敿?xì)地描述。

圖 1. 自驅(qū)動(dòng)框圖

如果 1-D 周期小于 50%，則負(fù)載調(diào)節(jié)可能會(huì)受到影響，因?yàn)樵诖似陂g能量被轉(zhuǎn)移到次級(jí)側(cè)。隨著一維周期的減少，對(duì)于給定的負(fù)載，在一維周期內(nèi)初級(jí)上的峰值電流會(huì)大大增加。結(jié)果，峰值電流變大，負(fù)載調(diào)節(jié)受到很大影響，因?yàn)槌跫?jí)上的更多電壓分布在磁化電感和漏感上。因此，在設(shè)計(jì) fly-buck 時(shí)，建議一維周期大于 50%。此外，LM5160 的峰值電流限制可低至 2,125A（典型值為 2.5A），為了滿足 3A 的要求而不進(jìn)入電流限制，選擇了特定的匝數(shù)比。該設(shè)計(jì)使用具有 3:1 降壓比的 Versa-Pac 變壓器。分鐘：

為了在關(guān)斷期間驅(qū)動(dòng)同步 MOSFET，在變壓器上安裝了一個(gè) 9 匝繞組，它產(chǎn)生 2 比 1 的匝數(shù)比。等式 4 至 7 顯示了在 Vin max占空比關(guān)斷期間同步 FET的 V gs電壓：

圖 2.最大 Vin 處的V gs

變壓器的漏感、直流電阻 (DCR) 和整流器的正向壓降是影響 Fly-buck 輸出調(diào)節(jié)的輸出調(diào)節(jié)因素，圖 3 顯示該設(shè)計(jì)能夠在整個(gè) V in 和負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ±5% 的調(diào)節(jié)使用同步整流器。

圖 3. 整個(gè) Vin 范圍內(nèi)的負(fù)載調(diào)節(jié)

在空載時(shí)，如果使用二極管整流器，次級(jí)輸出電壓可能會(huì)由于次級(jí)電壓尖峰而產(chǎn)生峰值電荷。這種同步方法還無(wú)需預(yù)載電阻器或齊納鉗位以在空載時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

與 Versa-Pac 相比，我們可以通過(guò)制造具有更低漏感和 DCR 的專(zhuān)用變壓器來(lái)進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)和效率。此外，與初級(jí)繞組緊密耦合的專(zhuān)用同步繞組將減少開(kāi)關(guān)尖峰并避免超過(guò)同步 MOSFET 柵極和源極之間的最大額定電壓。