引言

　　低壓大電流DC-DC模塊電源一直占模塊電源市場需求的一半左右，對其相關(guān)技術(shù)的研究有著重要的應(yīng)用價值,。模塊電源的高效率是各廠家產(chǎn)品的亮點,，也是業(yè)界追逐的重要目標(biāo)之一。同步整流" title="同步整流">同步整流可有效減少整流損耗,，與適當(dāng)?shù)碾娐吠負(fù)浣Y(jié)合,，可得到低成本的高效率變換器。本文針對36V-75V輸入,，3.3V/15A輸出的二次電源模塊,，在分析同步整流技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)同步整流的特點,，選擇出適合于自驅(qū)動同步整流的反激" title="反激">反激電路拓?fù)?，進行了詳細(xì)的電路分析和試驗。

　　反激同步整流

　　基本的反激電路結(jié)構(gòu)" title="電路結(jié)構(gòu)">電路結(jié)構(gòu)如圖1,。

　　其工作原理：主MOSFET Q1導(dǎo)通時,，進行電能儲存，這時可把變壓器看成一個電感,，原邊繞組電流Ip上升斜率由dIp/dt=Vs/Lp決定,，磁芯不飽和，則Ip 線性增加,；磁芯內(nèi)的磁感應(yīng)強度將從Br增加到工作峰值Bm,；Q1關(guān)斷時，原邊電流將降到零，副邊整流管" title="整流管">整流管開通,，感生電流將出現(xiàn)在副邊,；按功率恒定原則，副邊安匝值與原邊安匝值相等,。

　　在穩(wěn)態(tài)時,，開關(guān)導(dǎo)通期間，變壓器內(nèi)磁通增量△Φ應(yīng)等于反激期間內(nèi)的磁通變化量,，即：

　　△Φ＝VsTon / Np＝Vs'Toff / Ns

　　從此式可見,，如果磁通增量相等的工作點穩(wěn)定建立時，變壓器原邊繞組每匝的伏－秒值必然等于副邊每匝繞組的伏－秒值,。

　　反激變換器的拓?fù)鋵嶋H就是一個BUCK－BOOST組合的變換器拓?fù)涞膽?yīng)用,，而且如果副邊采用同步整流，電路總是工作于CCM的模式下,，其電壓增益

　　M＝Vo/Vs＝K·D/(1－D)(K為原副邊匝數(shù)比)

　　用PMOSFET和MOSFET替代圖1中的蕭特基二極管,，可以實現(xiàn)同步整流的4種電路結(jié)構(gòu)如圖2和圖3

　　反激電路的開關(guān)電壓波形見圖4，是標(biāo)準(zhǔn)的矩形波,，非常適合同步整流驅(qū)動,。設(shè)計的關(guān)鍵點在于同步整流管的位置與驅(qū)動電路" title="驅(qū)動電路">驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)配合、波形的整形限幅和死區(qū)控制,。

　　圖1　基本反激電路結(jié)構(gòu)圖

　　圖2　由NMOSFET構(gòu)成的反激同步整流電路結(jié)構(gòu)

　　圖3　由PMOSFET構(gòu)成的反激同步整流電路結(jié)構(gòu)

　　圖4　CH1－整流管實驗波形/ CH2－主開關(guān)實驗波形

　　圖5　 一種實際的外驅(qū)電路

　　圖6　 增加驅(qū)動能力的外驅(qū)電路

　　圖7　 由NMOSFET構(gòu)成的反激同步整流自驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

　　圖8　 由PMOSFET構(gòu)成的反激同步整流自驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

　　圖9　 反激同步整流半自驅(qū)電路結(jié)構(gòu)

　　圖10,、Vgs驅(qū)動波形，CH1同步整流管,，CH2主開關(guān)管

　　圖11,、Vds波形，CH1同步整流管,，CH2主開關(guān)管

圖12　轉(zhuǎn)換效率曲線　

　　反激同步整流驅(qū)動電路選擇

　　同步整流管的驅(qū)動方式有三種：第一種是外加驅(qū)動控制電路,，優(yōu)點是其驅(qū)動波形的質(zhì)量高，調(diào)試方便,。缺點是：電路復(fù)雜,，成本高，在追求小型化和低成本的今天只有研究價值,，基本沒有應(yīng)用價值,。圖5是簡單的外驅(qū)電路，R1D1用于調(diào)整死區(qū),。該電路的驅(qū)動能力較小,，在同步整流管的Ciss較小時，可以使用,。圖6是在圖5的基礎(chǔ)上增加副邊推挽驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu),，可以驅(qū)動Ciss較大的MOSFET,。在輸出電壓低于5V時，需要增加驅(qū)動電路供電電源,。

　　第二種是自驅(qū)動同步整流。優(yōu)點是直接由變壓器副邊繞組驅(qū)動或在主變壓器上加獨立驅(qū)動繞組,，電路簡單,、成本低和自適應(yīng)驅(qū)動是主要優(yōu)勢，在商業(yè)化產(chǎn)品中廣泛使用,。缺點是電路調(diào)試的柔性較少,，在寬輸入低壓范圍時，有些波形需要附加限幅整形電路才能滿足驅(qū)動要求,。圖7和圖8是四種反激同步整流的電路結(jié)構(gòu),。由于Vgs的正向驅(qū)動都正比于輸出電壓，調(diào)節(jié)驅(qū)動繞組的匝數(shù)可以確定比例系數(shù),，且輸出電壓都是很穩(wěn)定的,，所以驅(qū)動電壓也很穩(wěn)定。比較麻煩的是負(fù)向電壓可能會超標(biāo),，需要在設(shè)計變壓器變比時考慮驅(qū)動負(fù)壓幅度,。

　　第三種是半自驅(qū)。其驅(qū)動波形的上升或下降沿,，一個是由主變壓器提供的信號,，另一個是獨立的外驅(qū)動電路提供的信號。圖9是針對自驅(qū)的負(fù)壓問題,，用單獨的放電回路,，提供同步整流管的關(guān)斷信號，避開了自驅(qū)動負(fù)壓放電的電壓超標(biāo)問題,。

　　實驗結(jié)果

　　根據(jù)圖7電路,，設(shè)計了一臺15W樣機，輸入電壓36－75V,，輸出5V/3A,，體積50mm/25mm/8.5mm。開關(guān)頻率300kHz,，磁心選用國產(chǎn)FEY12.5,，變壓器匝比3:1，磁心中柱氣隙0.2mm,。

　　同步整流管選擇的主要依據(jù)是：整流管導(dǎo)通電阻盡量小,，電壓和電流不超過整流管的電壓和電流限值，這里選用Motorola公司的MTB75N05HD( Vds=50V,，Rds=7mΩ)

　　同步整流管的驅(qū)動波形如圖10,，為標(biāo)準(zhǔn)的矩形波,。

　　實測的效率曲線如下，低壓滿載時在87％以上,。與蕭特基二極管整流的典型效率82％相比,，模塊損耗減少了30％。

　　結(jié)語

　　理論分析和樣機驗證,，證明反激同步整流的的效率在低壓輸出條件下有明顯的優(yōu)勢,，模塊本身的功耗比蕭特基整流低30％，可以提高30％的模塊功率密度,，具有極大的推廣和應(yīng)用價值,。