一種反激同步整流DC-DC變換器設(shè)計

對反激同步整流在低壓小電流DC－DC變換器中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，介紹了主電路工作原理，幾種驅(qū)動方式及其優(yōu)缺點(diǎn)，選擇出適合于自驅(qū)動同步整流的反激電路拓?fù)洌⑼ㄟ^樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該電路的實(shí)用性。

引言

低壓大電流DC-DC模塊電源一直占模塊電源市場需求的一半左右，對其相關(guān)技術(shù)的研究有著重要的應(yīng)用價值。模塊電源的高效率是各廠家產(chǎn)品的亮點(diǎn)，也是業(yè)界追逐的重要目標(biāo)之一。同步整流可有效減少整流損耗，與適當(dāng)?shù)碾娐吠負(fù)浣Y(jié)合，可得到低成本的高效率變換器。本文針對36V-75V輸入，3.3V/15A輸出的二次電源模塊，在分析同步整流技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)同步整流的特點(diǎn)，選擇出適合于自驅(qū)動同步整流的反激電路拓?fù)?，進(jìn)行了詳細(xì)的電路分析和試驗(yàn)。

反激同步整流

基本的反激電路結(jié)構(gòu)如圖1。

其工作原理：主MOSFET Q1導(dǎo)通時，進(jìn)行電能儲存，這時可把變壓器看成一個電感，原邊繞組電流Ip上升斜率由dIp/dt=Vs/Lp決定，磁芯不飽和，則Ip 線性增加；磁芯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將從Br增加到工作峰值Bm；Q1關(guān)斷時，原邊電流將降到零，副邊整流管開通，感生電流將出現(xiàn)在副邊；按功率恒定原則，副邊安匝值與原邊安匝值相等。

在穩(wěn)態(tài)時，開關(guān)導(dǎo)通期間，變壓器內(nèi)磁通增量△Φ應(yīng)等于反激期間內(nèi)的磁通變化量，即：

△Φ＝VsTon / Np＝Vs’Toff / Ns

從此式可見，如果磁通增量相等的工作點(diǎn)穩(wěn)定建立時，變壓器原邊繞組每匝的伏－秒值必然等于副邊每匝繞組的伏－秒值。

反激變換器的拓?fù)鋵?shí)際就是一個BUCK－BOOST組合的變換器拓?fù)涞膽?yīng)用，而且如果副邊采用同步整流，電路總是工作于CCM的模式下，其電壓增益

M＝Vo/Vs＝K·D/(1－D)(K為原副邊匝數(shù)比)

用PMOSFET和MOSFET替代圖1中的蕭特基二極管，可以實(shí)現(xiàn)同步整流的4種電路結(jié)構(gòu)如圖2和圖3

反激電路的開關(guān)電壓波形見圖4，是標(biāo)準(zhǔn)的矩形波，非常適合同步整流驅(qū)動。設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)在于同步整流管的位置與驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)配合、波形的整形限幅和死區(qū)控制。

圖1 基本反激電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 由NMOSFET構(gòu)成的反激同步整流電路結(jié)構(gòu)

圖3 由PMOSFET構(gòu)成的反激同步整流電路結(jié)構(gòu)

圖4 CH1－整流管實(shí)驗(yàn)波形/ CH2－主開關(guān)實(shí)驗(yàn)波形

圖5 一種實(shí)際的外驅(qū)電路

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圖6 增加驅(qū)動能力的外驅(qū)電路

圖7 由NMOSFET構(gòu)成的反激同步整流自驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

圖8 由PMOSFET構(gòu)成的反激同步整流自驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

圖9 反激同步整流半自驅(qū)電路結(jié)構(gòu)

圖10、Vgs驅(qū)動波形，CH1同步整流管，CH2主開關(guān)管 [!--empirenews.page--]

圖11、Vds波形，CH1同步整流管，CH2主開關(guān)管

圖12 轉(zhuǎn)換效率曲線

反激同步整流驅(qū)動電路選擇

同步整流管的驅(qū)動方式有三種：第一種是外加驅(qū)動控制電路，優(yōu)點(diǎn)是其驅(qū)動波形的質(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價值，基本沒有應(yīng)用價值。圖5是簡單的外驅(qū)電路，R1D1用于調(diào)整死區(qū)。該電路的驅(qū)動能力較小，在同步整流管的Ciss較小時，可以使用。圖6是在圖5的基礎(chǔ)上增加副邊推挽驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)，可以驅(qū)動Ciss較大的MOSFET。在輸出電壓低于5V時，需要增加驅(qū)動電路供電電源。

第二種是自驅(qū)動同步整流。優(yōu)點(diǎn)是直接由變壓器副邊繞組驅(qū)動或在主變壓器上加獨(dú)立驅(qū)動繞組，電路簡單、成本低和自適應(yīng)驅(qū)動是主要優(yōu)勢，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，有些波形需要附加限幅整形電路才能滿足驅(qū)動要求。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)動都正比于輸出電壓，調(diào)節(jié)驅(qū)動繞組的匝數(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)動電壓也很穩(wěn)定。比較麻煩的是負(fù)向電壓可能會超標(biāo)，需要在設(shè)計變壓器變比時考慮驅(qū)動負(fù)壓幅度。

第三種是半自驅(qū)。其驅(qū)動波形的上升或下降沿，一個是由主變壓器提供的信號，另一個是獨(dú)立的外驅(qū)動電路提供的信號。圖9是針對自驅(qū)的負(fù)壓問題，用單獨(dú)的放電回路，提供同步整流管的關(guān)斷信號，避開了自驅(qū)動負(fù)壓放電的電壓超標(biāo)問題。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖7電路，設(shè)計了一臺15W樣機(jī)，輸入電壓36－75V，輸出5V/3A，體積50mm/25mm/8.5mm。開關(guān)頻率300kHz，磁心選用國產(chǎn)FEY12.5，變壓器匝比3:1，磁心中柱氣隙0.2mm。

同步整流管選擇的主要依據(jù)是：整流管導(dǎo)通電阻盡量小，電壓和電流不超過整流管的電壓和電流限值，這里選用Motorola公司的MTB75N05HD( Vds=50V，Rds=7mΩ)

同步整流管的驅(qū)動波形如圖10，為標(biāo)準(zhǔn)的矩形波。

實(shí)測的效率曲線如下，低壓滿載時在87％以上。與蕭特基二極管整流的典型效率82％相比，模塊損耗減少了30％。

結(jié)語

理論分析和樣機(jī)驗(yàn)證，證明反激同步整流的的效率在低壓輸出條件下有明顯的優(yōu)勢，模塊本身的功耗比蕭特基整流低30％，可以提高30％的模塊功率密度，具有極大的推廣和應(yīng)用價值。