二極管整流的缺點(diǎn)
圖1是非同步和同步降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖,。非同步降壓轉(zhuǎn)換器使用FET和肖特基二極管作為開關(guān)器件(圖1a),,當(dāng)FET打開時(shí),能量傳遞到輸出電感和負(fù)載,。當(dāng)FET關(guān)斷,,電感中的電流流過肖特基二極管。如果負(fù)載電流高于輸出電感的紋波電流的一半,,則轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式,。根據(jù)正向電壓降和反向漏電流特性來選擇肖特基二極管。但是,,當(dāng)輸出電壓降低時(shí),,二極管的正向電壓的影響很重要,它將降低轉(zhuǎn)換器的效率,。物理特性的極限使二極管的正向電壓降難以降低到0.3V以下,。相反,可以通過加大硅片的尺寸或并行連接分離器件來降低MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON),。因此,,在給定的電流下,使用一個(gè)MOSFET來替代二極管可以獲得比二極管小很多的電壓降,。
這使得SR很有吸引力,,特別是在對效率、轉(zhuǎn)換器尺寸和熱性能很敏感的應(yīng)用中,,例如便攜式或者手持設(shè)備,。MOSFET制造商不斷地引入具有更低RDS(ON)和總柵極電荷(QG)的新MOSFET技術(shù),這些新的MOSFET技術(shù)使在電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)SR更加容易,。
什么是同步整流,?
例如,在同步降壓轉(zhuǎn)換器中,,通過用兩個(gè)低端的MOSFET來替換肖特基二極管可以提高效率(圖1b),。這兩個(gè)MOSFET必須以互補(bǔ)的模式驅(qū)動(dòng),在它們的導(dǎo)通間隙之間有一個(gè)很小的死區(qū)時(shí)間(dead time),,以避免同時(shí)導(dǎo)通,。同步FET工作在第三象限,因?yàn)殡娏鲝脑礃O流到漏極,。與之對應(yīng)的非同步轉(zhuǎn)換器相比,,同步降壓轉(zhuǎn)換器總是工作在連續(xù)導(dǎo)通,即使在空載的情況下也是,。
在死區(qū)時(shí)間內(nèi),,電感電流流過低端FET的體二極管(body diode),。這個(gè)體二極管通常具有非常慢的反向恢復(fù)特性,會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率,??梢耘c低端FET并行放置一個(gè)肖特基二極管以對體二極管實(shí)現(xiàn)旁路,避免它影響到轉(zhuǎn)換器的性能,。增加的肖特基二極管可以比非同步降壓轉(zhuǎn)換器中的二極管低很多的額定電流,,因?yàn)樗辉趦蓚€(gè)FET都關(guān)斷時(shí)的較短的死區(qū)時(shí)間(通常低于開關(guān)周期的百分之幾)內(nèi)導(dǎo)通。
同步整流的好處
在高性能,、高功率的轉(zhuǎn)換器中使用SR的好處是可以獲得更高的效率,、更低的功耗、更佳的熱性能,,以及當(dāng)同步FET并行連接時(shí)固有的理想電流共享特點(diǎn),,而且盡管采用自動(dòng)組裝工藝(更高的可靠性)但還是可提高制造良率。如上面提到的那樣,,若干個(gè)MOSFET可以并行連接來應(yīng)對更高的輸出電流,。
因?yàn)樵谶@種情況下有效的RDS(ON)與并行連接的器件數(shù)量成反比,因此降低了導(dǎo)通損耗,。同樣,,RDS(ON)具有正的溫度系數(shù),因此FET將等量分享電流,,有助于優(yōu)化在SR器件之間的熱分布,,這將提高器件和PCB散熱的能力,直接改善設(shè)計(jì)的熱性能,。SR帶來的其他潛在的好處包括更小的外形尺寸,、開放的框架結(jié)構(gòu)、更高的環(huán)境工作溫度,,以及更高的功率密度。
同步整流轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)折中
在低電壓應(yīng)用中,,設(shè)計(jì)工程師通常增加開關(guān)頻率以減小輸出電感和電容的尺寸,,以此使轉(zhuǎn)換器尺寸最小化,并降低輸出紋波電壓,。如果并聯(lián)多個(gè)FET,,這樣的頻率增加也會(huì)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)和開關(guān)損耗, 因此必須根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)折中,。例如,,在高輸入電壓、低輸出電壓的同步降壓轉(zhuǎn)換器上,,因?yàn)楣ぷ鳁l件是高端FET比低端FET具有更低的RMS電流,,因此高端FET應(yīng)該選擇具有低QG和高RDS(ON)的器件,。對于這個(gè)器件來說,降低開關(guān)損耗比導(dǎo)通損耗更重要,。相反,,低端FET承載更大的RMS電流,因此RDS(ON)應(yīng)該盡可能低,。
在同步轉(zhuǎn)換器中選擇具有更強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的控制器,,通過使FET開關(guān)所用的時(shí)間最短,將能減少開關(guān)損耗,。然而,,更快的上升和下降時(shí)間可產(chǎn)生高頻噪聲,這種噪聲可以導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲和EMI問題,。
隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同步整流轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)
采用隔離拓?fù)涞碾娫崔D(zhuǎn)換器被用在需要在系統(tǒng)地之間進(jìn)行隔離的系統(tǒng)中,。這樣的系統(tǒng)包括分布式總線架構(gòu)、以太網(wǎng)供電系統(tǒng)和無線基站(圖2),。
在隔離轉(zhuǎn)換器中采用SR可以大大地提高其性能,。所有的隔離拓?fù)洌ㄕ?、反激,、推挽、半橋和全橋(電流和電壓反饋)都可以進(jìn)行同步整流,。然而,,在每個(gè)拓?fù)渲械腟R提供的足夠的、適時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)信號都有其自身的挑戰(zhàn)性,。
針對隔離拓?fù)涞拇渭塅ET的驅(qū)動(dòng)方案基本上有兩種:自驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O信號直接從次級變壓器繞組獲得,,控制驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O信號從PWM控制器或一些其他初級的基準(zhǔn)信號獲得。對于一個(gè)給定 的應(yīng)用,,這些驅(qū)動(dòng)可以有幾種不同的實(shí)現(xiàn)方法,。設(shè)計(jì)師應(yīng)該選擇能滿足性能要求的最簡單的解決方案。
自驅(qū)動(dòng)方案是最簡單,、直接的SR驅(qū)動(dòng)方案(圖3),,適合于那些在任何時(shí)間段內(nèi)變壓器電壓都不為零的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩個(gè)SR FET可替代輸出整流二極管,,次級繞組產(chǎn)生的電壓驅(qū)動(dòng)SR的柵極,。在大多數(shù)情況下,利用不同的變壓器線圈匝數(shù)比(NP∶ NS1∶NS2)和正確選擇SR FET,,相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以獲得更高或更低的輸出電壓,。
對于那些變壓器電壓周期性歸零,并維持為零的拓?fù)鋪碚f,自驅(qū)動(dòng)SR的主要問題是,,在這些間隙時(shí)間內(nèi)沒有信號來驅(qū)動(dòng)SR FET的柵極,。
在這些時(shí)間內(nèi),SR的寄生二極管導(dǎo)通,,這樣就增加了功率損耗,。更低的輸出電壓可能需要額外的繞組來增加施加在SR FET柵極上的工作電壓到一個(gè)足夠的水平。由于次級線圈電壓隨輸入線電壓而變化,,SR柵極上的電壓將改變,。由于RDS(ON)決定于柵極-源極電壓(VGS),因此將影響到效率,。在寬輸入電壓范圍的轉(zhuǎn)換器中,,RDS(ON)的變化范圍可以高達(dá)2∶1。
有一個(gè)可替代的柵極驅(qū)動(dòng)方法,,該方法可以用于基于變壓器的拓?fù)?。在低電壓、高電流的?yīng)用中,,這些驅(qū)動(dòng)方法既可減少與死區(qū)時(shí)間間隙相關(guān)的損耗,,又可產(chǎn)生幅度幾乎不變的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖,因此效率不會(huì)受到線電壓的變化帶來的負(fù)面影響,。
控制驅(qū)動(dòng)方案可以解決自驅(qū)動(dòng)方法的局限,。然而,它們通常更加復(fù)雜,,而且昂貴,。根據(jù)自驅(qū)動(dòng)方案的器件密度,控制驅(qū)動(dòng)方案實(shí)際上可能是更好的選擇,。用于驅(qū)動(dòng)SR FET的控制信號可以從原級或次級端參考控制器獲得,。
應(yīng)用實(shí)例
LM2747是美國國家半導(dǎo)體公司新推的一款PWM同步降壓控制器,適合為有線調(diào)制解調(diào)器,、DSL,、ADSL、激光和噴墨打印機(jī),、便攜式運(yùn)算應(yīng)用,、ASIC、DSP及FPGA等內(nèi)核提供穩(wěn)壓供電,,典型應(yīng)用電路如圖4所示。該芯片電壓反饋準(zhǔn)確度可達(dá)1%,,對于工作電壓低于1V的內(nèi)核來說,,這個(gè)準(zhǔn)確度尤其重要。此外,,該芯片也可支持高頻操作,,因此有助于縮小電源系統(tǒng)的體積,。
該芯片的最短導(dǎo)通時(shí)間只有40ns,因此以1MHz開關(guān)頻率工作時(shí),,可以利用12V供電電壓提供0.6V的輸出,。LM2747芯片還有其他功能,包括預(yù)偏壓負(fù)載啟動(dòng),、跟蹤功能的軟啟動(dòng),、確保順序供電的高精度,以及外置時(shí)鐘同步功能,,后者的作用是避免外置時(shí)鐘輕易與其他供電系統(tǒng)及負(fù)載極為靈敏的電路產(chǎn)生相互影響,。
在低輸出電壓、大輸出電流的系統(tǒng)應(yīng)用中,,同步開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器比非同步轉(zhuǎn)換器具有更高的性能,。確保針對SR的正確柵極驅(qū)動(dòng)信號定時(shí)是工程師使轉(zhuǎn)換器性能最大化需要解決的重要任務(wù)。