隨著國(guó)防、航空航天科技的發(fā)展,，廣泛用于通信,、電子對(duì)抗等領(lǐng)域的軍用、航空電子產(chǎn)品對(duì)供電電源的要求越來(lái)越高,，它們不僅要求電源技術(shù)指標(biāo)高,，還要求體積小、重量輕,、效率高,、可靠性高。
隨著電源輸出電壓的降低及輸出電流的增大,，次級(jí)整流損耗成為電源的主要損耗,。傳統(tǒng)的肖特基二極管整流損耗較大，效率低,，熱設(shè)計(jì)也較困難，從而導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低,。采用低導(dǎo)通阻抗的MOSFET進(jìn)行整流,，可以大大降低這一損耗，是提高變換器效率的有效途徑,。這種應(yīng)用MOSFET進(jìn)行整流的技術(shù),，稱為同步整流(SR),。
本文介紹了一種具有后級(jí)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓功能的同步整流電路，其既能降低損耗,、提高電源效率,，又實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)壓功能。
LT3710的特點(diǎn)
LT3710是一種高效的次級(jí)同步后置穩(wěn)壓控制器,，在多輸出隔離電源中用來(lái)產(chǎn)生精確調(diào)節(jié)的輔助輸出,。它可以直接由變壓器的次級(jí)繞組生成一個(gè)精確穩(wěn)壓的次級(jí)輸出，從而最大限度地減小主路輸出電感器和電容器尺寸,。LT3710帶可編程電流保護(hù)功能,，工作頻率高達(dá)500kHz。初級(jí)調(diào)節(jié)使它能很好地與無(wú)論電流模式還是電壓模式的主輸出控制回路一起工作,。
LT3710基本功能模塊包括：一個(gè)用做反饋調(diào)節(jié)的電壓放大器,、與初級(jí)開(kāi)關(guān)脈沖同步的斜波發(fā)生器、帶初級(jí)調(diào)節(jié)的PWM比較器,、限流放大器和高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器,。
LT3710提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、高效和節(jié)省空間的后調(diào)節(jié)方案,，特別是在低電壓,、大電流的應(yīng)用中。其電路結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)如下,。
● 可進(jìn)一步調(diào)整占空比,，實(shí)現(xiàn)副路輸出電壓的良好調(diào)整。
● 主,、副電路采用同一次級(jí)繞組,，變壓器的漏感和寄生阻抗影響大大降低。
● 主,、副電路采用一個(gè)同步整流器,，節(jié)省了副路整流濾波電路，既簡(jiǎn)化了電路,，又降低了電源損耗,。
電路工作原理
圖1所示為電源主電路原理圖，其有兩路輸出,，5V為主路,，3.3V為副路，主電路拓?fù)洳捎谜ぷ儞Q,。T1為開(kāi)關(guān)變壓器,， 實(shí)現(xiàn)輸入輸出電氣隔離。V2為同步整流管，直接被副邊電壓驅(qū)動(dòng),；V4為續(xù)流管,，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)由副邊電壓反相緩沖生成，與V2驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ),。副路開(kāi)關(guān)管V3及續(xù)流管V5由LT3710驅(qū)動(dòng),，使V3、V5交替導(dǎo)通,。
圖1 主電路原理圖
當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化引起輸出電壓變化時(shí),，主PWM電路取樣主路電壓，自動(dòng)調(diào)整輸出驅(qū)動(dòng)脈寬,，改變V1占空比,，實(shí)現(xiàn)主路電壓穩(wěn)壓。而副路輸出則通過(guò)LT3710控制電路,，取樣電壓,，調(diào)整V3占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制,。為了消除電源的低頻差拍干擾,，主副路驅(qū)動(dòng)信號(hào)要保持同步。
電路中,，V2起著十分重要的作用,。一方面，作為輸出的同步整流器,，它降低了整流電路的導(dǎo)通損耗,；另一方面，與V3構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路,。
圖2所示為電路工作的電壓和電流波形,，整個(gè)工作過(guò)程分為3個(gè)階段。
圖2 電路工作波形
● T0～T2期間,。在主PWM控制下,，V1關(guān)斷，由于變壓器T1磁通復(fù)位,，VS在T0～T1階段為負(fù),，T1～T2階段為0，使V2關(guān)斷,，V4導(dǎo)通,，電感電流IL1通過(guò)V4續(xù)流。同時(shí),，在LT3710控制下,，V3關(guān)斷,，V5導(dǎo)通，電感電流IL2通過(guò)V5續(xù)流,。
● T2～T3期間。V1導(dǎo)通,，副邊電壓Vs為正,，使V2同步導(dǎo)通，IL1逐漸增大,；同時(shí)LT3710驅(qū)動(dòng)V3導(dǎo)通,，為副路提供能量，IL2同步上升,。在此過(guò)程中,，續(xù)流管V4、V5關(guān)斷,。
● T3至下一個(gè)周期開(kāi)始,。V3關(guān)斷，V5導(dǎo)通,，IL2通過(guò)V5續(xù)流,，幅度下降，而V2仍維持導(dǎo)通狀態(tài),，IL1繼續(xù)上升,。通過(guò)控制V3導(dǎo)通時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)副路電壓的穩(wěn)定,。
關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì),、損耗分析及效率評(píng)估
根據(jù)以上電路，設(shè)計(jì)電源,，相關(guān)參數(shù)要求如下：輸入電壓VI=176～253Vac,，開(kāi)關(guān)頻率f=200kHz，初級(jí)占空比D=0.3～0.45,，輸出電壓電流U01=5V,、I01=10A、U02=3.3V,、I02=8A,、紋波≤1%。
1 MOSFET的選取
在選擇MOSFET時(shí),，要選擇具有足夠電流處理能力的,，且散熱性良好的器件。我們選用MTP1306,，其漏極電流ID=59A(100℃),，導(dǎo)通電阻為6.5mΩ(25℃)，可滿足使用要求。
2 損耗分析及效率估算
開(kāi)關(guān)MOSFET的損耗包括開(kāi)關(guān)損耗Ps和導(dǎo)通損耗Pr,，具體計(jì)算方法如下,。
① 開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算
同步整流器V2及續(xù)流管V4,、V5作二極管使用,，開(kāi)關(guān)損耗較小，可用公式(1)進(jìn)行估算：
PS1=COSSV2GS(th)f=0.08W （1）
式中,，COSS為MOSFET輸出電容,，查手冊(cè)為1827pF；VDS(th)為MOSFET截止時(shí)漏源極間電壓,，取18V,。
串聯(lián)開(kāi)關(guān)管V3的開(kāi)關(guān)損耗受各種分布參數(shù)影響，計(jì)算較復(fù)雜,，可用公式(2)近似計(jì)算：
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式中，Crss為MOSFET反向傳輸電容,，查手冊(cè)為772pF,；Igatb為柵極驅(qū)動(dòng)器在MOSFET處于臨界導(dǎo)通時(shí)輸出的電流，取0.5A,；VIN為MOSFET輸入的峰值電壓,，取18V。
因此,，同步整流輸出部分的開(kāi)關(guān)損耗為：PS=3×PS1+PS2=1.12W,。
② 導(dǎo)通損耗的計(jì)算
MOSFET的導(dǎo)通損耗主要取決于導(dǎo)通電阻RON,，而MOSFET的導(dǎo)通電阻與它的結(jié)溫有關(guān),，當(dāng)MOSFET的最高管芯結(jié)溫（TJ）為125℃時(shí)其導(dǎo)通電阻最大，以MOSFET最大導(dǎo)通電阻作近似估算,。
RON = RON1(1+k)Tj-25 = 6.5×(1+0.005)(125-25)≈10mΩ （3）
式中,，k為導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)，取 0.005,。
同步整流器V3的導(dǎo)通時(shí)間包括兩部分：T2～T3期間,，IL1、IL2均通過(guò)同步整流器V3,；T3～T4期間,，V2關(guān)斷，只有IL1流過(guò)V3,，故V3的導(dǎo)通損耗為：
Pr1=(I01+△I1/2+I02+△I2/2)2×RON×D×3.3/5+(I01+△I1/2)2×RON×D×(1-3.3/5)=1.05W （4）
串聯(lián)開(kāi)關(guān)管V2,，導(dǎo)通時(shí)間為T2～T3,，IL2流過(guò)V2，故V2的導(dǎo)通損耗為：
Pr2 = (IO2+△I2/2)2×RON×D×3.3/5=0.18W （5）
續(xù)流管V4工作占空比為1-D,，V5工作占空比為1-D×3.3/5,，故V4的導(dǎo)通損耗為：
Pr3=(I01+△I1/2)2×RON×(1-D)=0.79W （6）
V5的導(dǎo)通損耗為：
Pr4= (IO2+△I2/2)2×RON×(1-D×3.3/5)=0.60W （7）
同步整流輸出部分的導(dǎo)通損耗為: Pr=Pr1+Pr2+Pr3+Pr4=2.62W。
?、?電源總效率的計(jì)算
為了便于計(jì)算,，選擇在輸出滿載、初級(jí)占空比為0.35條件下分析整個(gè)電源總效率η,。（8）
式中，PO為輸出功率,，為76.4W,；Pl為線路及其他器件損耗功率，主要取決于變壓器的工作模式及元件的選取,，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),，估算為4W；PSYN為同步整流輸出部分損耗,，PSYN=Pr+Ps=3.74W,。
故電源總效率為：（9）
實(shí)驗(yàn)結(jié)果和波形分析
根據(jù)要求制作一臺(tái)樣機(jī)，用LeCroy公司生產(chǎn)的示波器測(cè)試,，開(kāi)關(guān)管V2,、V3的Ugs波形如圖3所示。A為V3管Ugs波形（5V/div）,，B為V2管Ugs波形（5V/div）,，V2占空比為 0.35，V3占空比為0.25,，實(shí)驗(yàn)波形與理論分析基本吻合,。5V和3.3V輸出噪聲波形如圖4所示，A為5V輸出噪聲波形（10mV/div）,，B為3.3V輸出噪聲波形（10mV/div）,，紋波系數(shù)小于1%，滿足設(shè)計(jì)要求,。在滿載條件下,，測(cè)量電源的效率為91.6%，與估算值相吻合,。
圖3 V2,、V3的Ugs波形
圖4 輸出噪聲