高效率同步整流技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用研究
2019-11-03 10:02:55
供稿：網(wǎng)友
王文廷
中國電子科技集團公司第四十一研究所
安徽 蚌埠 233006
摘要：介紹了一種高效率同步整流技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用研究。重點分析了同步整流電路的工作原理，并給出了電源設(shè)計公式。試驗結(jié)果證明該方法極大地提高了電源的效率。
關(guān)鍵詞：高效率；同步整流；SRM4010模塊
中圖分類號： 文獻標識碼：
0 引言
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)向高速度高頻率發(fā)展的趨勢，電源模塊的發(fā)展趨勢必然是朝著更低電壓、更大電流的方向發(fā)展，電源整流器的開關(guān)損耗及導(dǎo)通壓降損耗也就成為電源功率損耗的重要因素。而在傳統(tǒng)的次級整流電路中，肖特基二極管是低電壓、大電流應(yīng)用的首選。其導(dǎo)通壓降基本上都大于0.4 V，當電源模塊的輸出電壓隨著現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展繼續(xù)降低時，電源模塊的效率就低得驚人了，例如在輸出電壓為3.3 V時效率降為80%，1.5 V輸出時效率不到70%，這時再采用肖特基二極管整流方式就變得不太可能了。
為了提高效率降低損耗，采用同步整流技術(shù)已成為低電壓、大電流電源模塊的一種必然手段。同步整流技術(shù)大體上可以分為自驅(qū)動（self driven）和他驅(qū)動（control driven）兩種方式。本文介紹了一種具有預(yù)測時間和超低導(dǎo)通電阻（低至2.8 mΩ/25 ℃）的他驅(qū)動同步整流技術(shù)，既達到了同步整流的目的，降低了開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，又解決了交叉導(dǎo)通問題，使同步整流的效率高達95%，從而使整個電源的效率也高達90%以上。
1 SRM4010同步整流模塊功能簡介
SRM4010是一種高效率他激式同步整流模塊，它直接和變壓器的次級相連，可提供40 A的輸出電流，輸出電壓范圍在1∽5V之間。它能夠在200∽400 kHz工作頻率范圍內(nèi)調(diào)整，且整流效率高達95%。如果需要更大的電流，還可以直接并聯(lián)使用，使設(shè)計變得非常簡單。
SRM4010模塊是一種9腳表面封裝器件，模塊被封裝在一個高強電流接口裝置包里，感應(yīng)系數(shù)極低，接線端功能強大，具有大電流低噪聲等優(yōu)異特性。
SRM4010引腳功能及應(yīng)用方式一覽表
引腳號 引腳名稱 引腳功能 應(yīng)用方式
1 CTCH Catch功率MOSFET漏極 接濾波電感和變壓器次級正端
2 FWD Forward功率MOSFET漏極 接變壓器次級負端
3 SGND 外控信號參考地 外圍控制電路公共地
4 REGin 內(nèi)部線性調(diào)整器輸入 可以外接輔助繞組或懸空
5 REGout 5V基準輸出 可為次級反饋控制電路提供電壓
6 PGND 同步整流MOSFET功率地 Catch和Forward功率MOSFET公共地
7 CDLY 輕載復(fù)位電容端 設(shè)置變壓器輕載時的復(fù)位時間
8 CPDT 同步整流預(yù)測時間電容端 Catch同步整流管設(shè)置預(yù)置時間
9 SPD 振鈴鑒別端 區(qū)分Catch MOSFET導(dǎo)通和振鈴
2 SRM4010同步整流模塊的應(yīng)用實例及其工作原理分析
SRM4010模塊僅和C2、C3兩只電容就完成了同步整流功能，其工作原理如下：
在初級開關(guān)管(V3)導(dǎo)通期間，模塊中的Catch MOSFET截止，電流從變壓器次級正端流經(jīng)輸出電感、輸出電容和負載，在經(jīng)Forward MOSFET回到變壓器次級負端；當初級開關(guān)管截止時，變壓器中電流回零，模塊的1腳因輸出電感的電流因素也下降到0 V，在這種情況下，電流流經(jīng)Catch MOSFET的體二極管，隨即Catch MOSFET導(dǎo)通以減小電壓降，體二極管的導(dǎo)通時間要特別短。因為電源工作頻率200 kHz(工作頻率的選擇見下文3.1)，開關(guān)周期為5000 ns，所以本例中取50 ns，這一導(dǎo)通時間僅占開關(guān)周期的1%，因此開關(guān)損耗就很低。另外，因變壓器的磁化電流使模塊的2腳電壓變?yōu)檎妷海@樣就達到了變壓器的磁復(fù)位，保持變壓器線圈中的伏秒平衡。
因為變壓器中不能維持直流電壓，變壓器的開和關(guān)的面積要相等。變壓器復(fù)位后，電壓實際上就轉(zhuǎn)化為Forward MOSFET體二極管上的輕度電壓偏差。這個電壓的幅值約為-0.5 V，盡管有這個電壓存在，因為在這個過程中幾乎沒有電流流過，也就沒有什么功率損耗。當初級開關(guān)管導(dǎo)通時，內(nèi)部控制電路在電壓上升之前一點關(guān)閉Catch MOSFET，并且打開Forward MOSFET。這樣既減少了開關(guān)損耗，又避免了交叉導(dǎo)通問題。反之，當初級開關(guān)管截止時，內(nèi)部控制電路在Catch MOSFET導(dǎo)通之前關(guān)閉Forward MOSFET，隨即打開Catch MOSFET，同樣避免了交叉導(dǎo)通問題。
C2是用來設(shè)置Catch同步整流管的預(yù)測時間，它決定了漏極電壓上升和柵極電壓上升之間的時間，它的典型值是0∽47 pF。增大電容值，就會增加預(yù)測延遲時間，只要在變換脈沖增加時不產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象，這一時間應(yīng)盡可能的短。實驗證明當電容值取39 pF時，會產(chǎn)生輕微的振鈴現(xiàn)象，所以取標稱電容值47pF，即使在電源啟動時也不會產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象，在電源正常工作時還可以大大提高電源效率。
C3的設(shè)置是為了使電源輕載工作時變壓器可以達到磁復(fù)位。為了達到復(fù)位，當Catch MOSFET的柵極導(dǎo)通時，F(xiàn)orward MOSFET驅(qū)動電路內(nèi)置了一個使其截止的時間，電容越大截止時間越長。最恰當?shù)臅r間是剛好使變壓器能夠達到磁復(fù)位。時間太長就會降低Forward MOSFET的帶載能力，而時間太短又會引起變壓器輕載時的磁復(fù)位問題。
本例中，REGout引腳為控制電路中的光電耦合器提供5 V電壓偏置，也大大簡化了電源的控制電路。
3 關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計實例
(舉例電路參數(shù)：UI為176～264 V AC,f=200 kHz,D=0.5,UO=3.3 V,IO=30 A,紋波≤1%)
3.1確定電源工作頻率
眾所周知，提高電源開關(guān)頻率，可以相應(yīng)減小電源體積，但同時開關(guān)損耗也急劇增加，工作頻率(f)和開關(guān)損耗(PLOSS)的關(guān)系大致為：PLOSS∝f1.2
即開關(guān)損耗和和開關(guān)頻率的1.2次方成正比，本例中為了提高電源效率，選擇整流模塊SRM4010的頻率下限200 kHz，這樣可以降低電源的開關(guān)損耗。
3.2 變壓器磁芯的選擇
AP=Ae×Ac= = ≈0.29
式中：PO—輸出功率；
η—要達到的電源效率；
Bm—最大磁通密度；
j—電流密度；
Kc—繞線占空系數(shù)；
Km—電路模式修正系數(shù)。
按使用60%的余量計算，需要磁芯功率容量為0.48。查磁芯規(guī)格表，最接近的PQ2620的功率容量為0.54，剛好滿足設(shè)計需要，并有一定的設(shè)計余量。
3.3變壓器的各電參數(shù)設(shè)計
a.計算初級繞組的電感量LP
LP= = = ×103 mH≈0.88 mH
式中：Emax—最大輸入直流電壓；
T—開關(guān)周期；
D—占空系數(shù)。
b.計算變壓器初級繞組匝數(shù)NP
NP= = ≈39.2
式中：Br—剩余磁通密度；
Ae—磁芯有效截面積。
取初級匝數(shù)約為40匝
c.計算變壓器次級繞組匝數(shù)NS
NS= = ≈0.86
式中：Emin—最小輸入直流電壓；
UO—輸出電壓；
UF—設(shè)定同步整流電壓降；
UL—濾波電感電壓降；
k—設(shè)計余量修正系數(shù)。
取次級匝數(shù)約為1匝，并采用銅箔繞制，這樣既滿足了大電流輸出，又解決了趨膚效應(yīng)問題。
3.4計算SRM4010上的最大電流ID和最大反壓VDR
ID= = = A≈15 A
式中：tOFF—截止時間；LS—次級電感量。
UDR≥ = V≈12.1V
本例中SRM4010的電壓電流參數(shù)為（40 A/20 V），按60%降額也完全符合設(shè)計要求。
3.5計算SRM4010上的功耗及效率
a. 計算導(dǎo)通損耗Pd
因為SRM4010管殼的最高溫度限制為80 ℃，按管芯溫度高于管殼溫度20 ℃計算，那么SRM4010此時的導(dǎo)通電阻Rd為：
Rd=Rt0(1+kt)(t-t0)=2.8×(1+0.012)(100-25) Ω≈0.00685Ω
式中：Rt0—25 ℃時的導(dǎo)通電阻；
kt—導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)；
t—溫度。
Pd=ID2Rd=152×0.00685 W≈1.542 W
b. 計算開關(guān)損耗Pf
Pf= CossU2f×4= ×9.5×10-9×12.12×200×103×4 W≈0.556 W
式中：Coss—SRM4010中MOSFET的源漏極間電容；
U—SRM4010中MOSFET的源漏極間開啟電壓。
c. 計算SRM4010效率
ηd = = ≈97.88%
由此可見，本例的同步整流效率是相當高的，即使考慮由于引線阻抗、引線感抗以及模塊內(nèi)控制電路功耗等因素的影響，效率是也是很高的。從下面的實驗結(jié)果也可以說明這一點。
4 實驗結(jié)果
通過用LeCroy公司生產(chǎn)的電源專用示波器測試，得到本電源設(shè)計的主要試驗結(jié)果如下：
PO=99.7W UP-P≤0.89%
SV≤±0.94% SI≤±1.42%
電源效率≥92.1% 同步整流效率≥96.3%
5．結(jié)束語
根據(jù)上述理論，成功設(shè)計了一種高效率同步整流開關(guān)電源。不僅證明了設(shè)計方法的正確，而且整個電路設(shè)計簡潔，電源的效率也得到很大提高。
參考文獻
[1] 葉慧貞.開關(guān)穩(wěn)壓電源.北京：國防工業(yè)出版社，1993.
[2] Microsemi Inc.data sheet,“40A Synchronous Rectifier Module ”
作者簡介
王文廷（1970-），男，中國電子科技集團公司第四十一研究所工程師，主要從事高頻開關(guān)電源研究工作。
摘自《通信電源技術(shù)》
