同步整流技术培训.ppt
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1、现代高频开关电源之同步整流技术 Synchronous Rectifier(SR) Technology,By DQA Terry Wang,2010-02-01,传统二极管整流电路面临的问题 同步整流技术及其特点 同步整流的基本原理 同步整流的类别和说明 典型电路实例分析 同步整流的功率MOSFET最新进展 GW-EPS1000DA(90+)同步整流设计分析 同步整流典型案例分享,Agenda 目录,随着电子技术的发展,使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作利于降低电路的整体功率消耗,但也给电源设计提出了新的难题。,一、传统二极管整流电路面临的问题,开关电源损耗主要来源,在低压
2、、大电流输出的情况下,整流二极管的导通压降较高,输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管(FRD)或超快恢复二极管(UFRD)可达1.01.2V,即使采用低压降的肖特基二极管(SBD),也会产生大约0.6V的压降,这就导致整流损耗增大,电源效率降低。,功率开关管,高频变压器,输出端整流管,公式推导:忽略输出整流电路的开关损耗时,则PF/PO=UFIF/UOIO. 其中PF与PO分别为SBD的功耗及DC/DC PWM转换的输出功率.对于某些整流电路, 如中点抽头全波整流电路,有IF =IO则有PF/Po=UF/Uo.即UF/Uo反映了功率比PF/Po的大小.,典型MOS管与SBD导通压降比较,二
3、、同步整流技术及其特点,同步整流技术概念,同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET,来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。,同步整流管体内也有寄生二极管,其反向恢复电流引起的开关损耗 取决于当AK间电压变负向的时候运载电流大小,功率MOS管属于压控型器件,在导通时的伏安特性呈线性关系。作整流器用的功率MOS管,要完成整流功能,栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步,即具有同步整流特性,同步整流技术特点,2.高效整流特性,1.同步整流特性,功率MOS管实属一个双向导电型器件,其完整的漏源伏安特性包括左图的以原点对称的第一、三象限.第一象限表示MOS管的正向导电特性,第三象限则表示反
4、向导电特性.同步整流技术正是利用该双向导电特性来达到提高整流效率的目的. 与主开关MOS管比较,作为整流/续流用的同步MOS管要求具有:低RDS(on)、体二极管(body diode)反向恢复电荷小、栅极阻抗小和开关特性好等特点.而主MOS管常为硬开关,则要求开关速度快,以减小开关损耗.,二、同步整流技术及其特点,三、同步整流的基本原理,左图1为常用 SR 电路 ,其中 VM1、VM2为功率MOS管 .VD1、VD2 为SBD.VM1、VD1组成SR1整流管;VM2、VD2 组成SR2续流管. 工作过程如下: 当主开关管 VM 关断时,驱动1和2给出信号,使VM2导通,VM1关断,VM2 起
5、续流作用: 当 VM导通时 ,VM2 关断 ,VM1 开通 ,VM1 起整流的作用. 由于驱动信号传递和 VM1、VM2 栅极电压达到阈值电压Uth需要一定时间(死区时间),该时间内VM1和VM2 尚未开通 ,则VD1和VD2 分别导通或共同导通 ,以便提供电流通路,基本原理,根据 SR 工作原理 ,同步整流网络的功率损耗主要包括: VD1和VD2 的导通损耗; VD1和VD2的反向恢复损耗; VM1和VM2 的导通损耗; VM1和VM2 的驱动损耗 当开关频率1MHz时,VM1和VM2的栅极驱动损耗占整流网络总损耗的主要部分;而开关频率1MHz时,VM1和VM2 的导通损耗占主导地位。低频情
6、况下,应尽量减小VD1和VD2 的导通时间,或消除VD1和VD2的导通,则电源效率会显著提高.而达到这一目的,关键是优化VM1和VM2 的驱动波形,使其接近于方波,能快速地导通或关断VM1和VM2.VM1和VM2理想驱动波形如左图2.其中Uth1和Uth2分别为VM1和VM2 的阈值电压(一般n channel MOS管的为0.6V1.4V).,四、同步整流的类别和说明,根据功率 MOS 2SR 驱动形式的不同 ,得到如下同步整流器的分类图。,同步整流技术,它激式,自激式,交叉式,感应式,正激有源钳位式,正激谐振复位式,正激多谐振式,电流感应式,电压感应式,交叉式同步整流器( Cross SR
7、),定义: 交叉式 SR因为 SR1、 SR2 的栅极和漏极通过主变压器交叉联接而得名. 其特点: SR 管的驱动网络简单,利用主变压器次级的电压来实现 SR 管的开通与关断 ,无需附加驱动器和附加变压器。,三种SR拓扑:根据变压器的去磁复位方式有: 正激谐振复位式(FRR) ; 正激有源钳位复位式( FACL) ; 正激多谐振复位式(FMRC) .,图5a利用主变压器的谐振复位原理:当开关频率超过一定范围(如 500kHz),通过适当调整主变压器的励磁电感 Lm ,则Lm 与开关管的寄生参数(如:输出电容 Co )谐振的同时 ,使主变压器磁通复位.主变压器的复位时间 Treset和谐振峰值
8、Um受开关器件的寄生参数 Co 的影响,对策是在 SR1管漏源极间并联一个合适的电容,以便适当降低谐振频率 ,使 Um 减小 ,Treset增大。C1 的最优值是使 Usec在主开关 VMm 开通时刻恰好回到零,图 5b为有源钳位式同步整流 :在变压器初级并联一个有源钳位网络 .该电路显著优点:一是将有源钳位技术引入同步整流器中 .二是具有良好的 SR 驱动波形,其最接近理想波形;另外,同a相比 优点还有: 钳位网络的存在 ,主开关上的电压应力低; 主变压器对称工作于 B2H平面的第一、三象限 ,利用率高 ,体积可减小一半; 恒频工作 ,可以实施 PWM 调制; 当主变压器的励磁电感 Lm 减
9、小到一定程度 ,可以实现主开关的零电压开通,图 5c SR管的驱动是谐振方式,其特点: 驱动损耗小(较适用于 1MHz以上的变换器); 变换器效率低(其驱动波形与理想波形相差较大,肖管导通时间长(约为 20 % TS) ;电压应力大 ,在500kHz以下无优势可言;只能采用调频控制。,四、同步整流的类别和说明,感应式同步整流器( Sensing SR),背景: Cross SR 的工作原理是利用主变压器次级电压 Usec驱动 SR 管工作的,因而 Cross SR的性能受 Usec制约 ,可归纳为: Usec峰值应满足SR管的安全范围 , Uth Usec UGS(break). Cross
10、SR 不能消除SBD的导通.即便是 SR管驱动波形最好的 FACL SR ,肖特基二极管亦会导通 ,因其驱动波形不是方波. 当变换器是电流型输入、容性负载时 ,SR 管的驱动信号不便从主变压器次级取出 .因Usec的值主要由整流环节的状态决定. Cross2SR在非隔离式变换器中不适用.,VS 2SR基本单元的工作原理:比较器 1 和比较器2的输出脉冲送到鉴相器3 ,若1的脉冲沿领先于2的脉冲沿 ,表明MOS管开通太早 ,此时3的D端输出 ,定时器 4 的输入电容 Cin放电 ,则 4 的延时增长 ,以消除 1 对 2 的领先;若 2 的脉冲沿领先于 1的脉冲沿 ,表明 MOS管开通被延迟 ,
11、此时 3 的 U 端输出 ,Cin充电 ,则4的延时缩短 ,以消除 2 对 1 的领先.经过上述的自动时延调整 ,就能实现“过零工作条件” ,消除肖特基管的导通和反向恢复.目前该模块已芯片化.,四、同步整流的类别和说明,电压感应式同步整流器(VS SR) 源于电流感应式同步整流器(CS SR) .所谓 CS SR 是指 SR 管的驱动环节利用功率MOS整流管自身的电流状态来决定是否给出驱动信号 ,其原理如图 6 所示.CR2SR 适用于电流型输入容性负载的开关变换器。,16.5W同步整流式DCDC电源变换器的设计 如下电路是一种正激/隔离式16.5W DCDC电源变换器,其方案采用DPASwi
12、tch :DPA424R,DCIN3675V,输出为3.3V/5A,输出功率为16.5W.采用400kHz同步整流技术,显著降低了整流器的损耗.当VIN为48V时,电源效率=87. 该变换器具有完善的保护功能:包括过电压欠电压保护,输出过载保护,开环故障检测,过热保护,自动重启动功能、能限制峰值电流和峰值电压以避免输出过冲 与分立元器件构成的电源变换器相比,可简化电路设计: 由C1、L1和C2构成输入端的电磁干扰(EMI)滤波器,可滤除由电网引入的电磁干扰。 R1用来设定欠电压值(UUV)及过电压值(UOV),取R1=619k时, UUV=619k50A2.35V=33.3V,UOV=619k
13、135A2.5V=86.0V.当输入电压过高时R1还能线性地减小最大占空比,防止磁饱和 R3为极限电流设定电阻,取R3=11.1k时,所设定的漏极极限电流ILIMIT=0.6ILIMIT=0.62.50A=1.5A. 电路中的稳压管VDZ1(SMBJ150)对漏极电压起箝位作用,能确保高频变压器磁复位,该电源采用漏源通态电阻极低的SI4800型功率管做整流管,其UDS(max)=30V, UGS(max)=20V, Idmax =9A(25)或7A(70),峰值漏极电流可达40A,最大功耗为2.5W(25)或1.6W(70). SI4800的导通时间tON=13ns(包含导通延迟时间td(ON
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