同步整流在WK283R3S-33M中的應用

時間：2008-10-05 02:15:00

關鍵字：同步整流 BSP 變壓器

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1 概述
WK283R3S-33M電源模塊為非密封灌封系列,其主要技術參數：VOUT=3．3 V，VIN=18 V~36 V，POUT=33 W，SI/Sv=0．5％，η=85％，VP-P=100 mV。該電源模塊的外形為1/4磚，其主要特點為低壓大電流輸出模塊、高效率和低紋波電壓值、體積為1／4磚可提高模塊的功率密度。

2 電路拓撲
    DC-DC電源模塊功率為30 W的電源拓撲通常選擇單端正激式和反激式，該電源模塊具有拓撲簡單、輸入／輸出電氣隔離等優(yōu)點。
    功率轉換電路選擇單端正激式變換器，電路簡單、應用方便，適用于低壓大電流輸出場合。該電路僅用一個功率開關管而且變壓器繞制簡單，可靠性高。與單端反激式變換器相比，雖增加了續(xù)流二極管和濾波電感，但變壓器漏磁小、輸出紋波電壓低,效率高。
    該電源要求高效率,其電源的損耗主要為開關損耗、變壓器損耗、輸出整流損耗。該電源電路采用無損耗箝位電路和同步整流技術。

3 關鍵技術
    提高開關頻率能減小磁性元件、濾波電容的體積，有助于系統(tǒng)小型化。但是隨著開關頻率的提高、開關損耗增加、散熱面積增大反而阻礙系統(tǒng)的小型化。提高開關頻率，并保持效率不變甚至增加則是該系統(tǒng)設計的關鍵。因此，必須依據新技術、高性能元件以及高性能材料來實現系統(tǒng)設計。
3．1 同步整流
    在低壓大電流功率變換器中，若采用傳統(tǒng)的普通二極管或肖特基二極管整流,由于其正向導通壓降大，二極管壓降為0．4 V，當通過10 A電流時，損耗為0．4×10×0．62=2．48W。這對于一個33 W電源具有2．48 W的整流耗損則是很大的。整流損耗則
成為變換器的主要損耗,無法滿足系統(tǒng)低壓大電流開關電源高效率、小體積的要求。
    功率MOSFET開關時間短，輸入阻抗高,這些特點使得MOSFET成為低壓大電流功率變換器首選整流器件。功率MOSFET是一種電壓型控制器件，作為整流元件，要求控制電壓與待整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，稱為同步整流電路。
    MOSFET導通時的伏安特性為一線性電阻,稱為通態(tài)電阻RDS。低壓MOSFET新器件的通態(tài)電阻很小，如：通態(tài)電阻為4．4 mΩ，通過10 A電流時，通態(tài)損耗為：

    由上式可知,同步整流比二極管整流的損耗小得多，所以次級采用同步整流技術。
    同步整流技術分為自驅動和外驅動兩種。自驅動是利用變壓器次級來驅動MOSFET工作，易于實現，但應用范圍較窄僅使用于低壓輸出電源：外驅動是由外部控制電路驅動整流和續(xù)流管實現同步工作，電路較復雜，應用于輸出5 V以上電源。
    本系統(tǒng)設計的電源輸出3．3 V電壓，采用自驅動，使用變壓器次級驅動MOSFET。電路工作過程為變壓器次級正半周，V8導通，V9關斷，V8為整流作用。變壓器次級負半周，V9導通,V8關斷,V9為續(xù)流作用。如圖1所示。在300 kHz條件下工作,同步整流的損耗主要是導通損耗，而開關損耗較小。

同步整流技術的關鍵是MOSFET的驅動控制。自驅動方式即使用變壓器次級輸出電壓直接驅動,要求死區(qū)時間應盡可能小或沒有。如果驅動波形存在死區(qū)時間內整流MOSFET的體二極管導通,增大整流的損耗及MOSFET的工作應力；當驅動波形的反向恢復時間較長時，可使次級整流和續(xù)流管的體二極管同時導通使變壓器次級短路,減少損耗需在MOSFET上并聯一個肖特基二極管,或是使驅動波形無死區(qū)時間，但要保證變壓器磁復位。
采用同步整流技術的工作波形如圖2所示：(152．bmp：2ch-V8的Vgs波形；3ch---V8的Vds波形。Vin=28 V，Io=10 A，R5＼6=0 Ω)。

3.2 單端正激變換器變壓器磁復位技術

    為了單端正激變換器有效利用同步整流技術提高工作效率,所以要解決變換器的磁復位與漏感儲能問題，傳統(tǒng)的解決方案為：(1)采用輔助繞組復位電路；(2)采用RCD箝位復位電路；(3)采用有源箝位復位電路。
    其中方案(1)要求輔助繞組與初級繞組必須緊密耦合，實際上因漏感的存在，電路中仍需外加有損吸收網絡，以釋放其儲能；方案(2)是一種有損箝位復位方式，因其損耗的大小正比于電路的開關頻率，和方案(1)相同需外加有損吸收網絡，不僅降低了電源本身效率，也限制了電源設計頻率的提高；方案(3)需附加一復位開關管和相關控制電路，不僅增加了電路復雜性，也使得附加電路損耗與總成本提高。
    最理想的磁復位技術是利用電路寄生參數和變壓器磁化電感、漏感進行諧振，強迫磁化電流減小至零甚至反向。實驗表明,實現這一技術的難度較大，需要許多參數的配合，輸出功率越大諧振參數匹配越難。
    研發(fā)過程選用無耗復位網絡和變壓器次級去磁技術，能較好地解決變壓器磁芯復位，并實現無死區(qū)，消除了同步整流管體二極管導通損耗。
3．2．1 磁復位技術和去磁網絡
    磁復位電路采用LCD網絡，LCD箝位不但能夠將變壓器的激磁能量反饋回電網,而且能有效抑制開關管關斷時由于漏感能量造成的電壓尖峰。當V1關斷時，C5箝位電容充電。當V1DS上升到大于輸入電壓時，C5放電V2導通，當V1DS導通時電感L2與C5諧振放電迫使V1DS硝下降，如圖3所示。