在低壓大電流變換器中倍流同步整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛采用。就其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析說(shuō)明,,并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
關(guān)鍵詞:倍流整流;同步整流,;直流/直流變換器,;拓?fù)?/p>
0 引言
隨著微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器的不斷發(fā)展,,對(duì)芯片的供電電源的要求越來(lái)越高了。不論是功率密度,、效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都有了新要求,,特別是要求輸出電壓越來(lái)越低,電流卻越來(lái)越大,。輸出電壓會(huì)從過(guò)去的3.3V降低到1.1~1.8V之間,,甚至更低[1]。從電源的角度來(lái)看,,微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器等都是電源的負(fù)載,,而且它們都是動(dòng)態(tài)的負(fù)載,這就意味著負(fù)載電流會(huì)在瞬間變化很大,,從過(guò)去的13A/μs到將來(lái)的30A/μs~50A/μs[2],。這就要求有能夠輸出電壓低、電流大,、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的變換器拓?fù)?。而?duì)稱半橋加倍流同步整流結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器是最能夠滿足上面的要求的[3]。
本文對(duì)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器的工作原理作出了詳細(xì)的分析說(shuō)明,,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了它的合理性,。
1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
主電路拓?fù)淙鐖D1中所示。由圖1可以看出,,輸入級(jí)的拓?fù)錇榘霕螂娐?,而輸出?jí)是倍流整流加同步整流結(jié)構(gòu)。由于要求電路輸出低壓大電流,,則倍流同步整流結(jié)構(gòu)是最合適的,,這是因?yàn)椋?/p>
圖1 主電路拓?fù)?/p>
1)變壓器副邊只需一個(gè)繞組,與中間抽頭結(jié)構(gòu)相比較,,它的副邊繞組數(shù)只有中間抽頭結(jié)構(gòu)的一半,,所以損耗在副邊的功率相對(duì)較小,;
2)輸出有兩個(gè)濾波電感,,兩個(gè)濾波電感上的電流相加后得到輸出負(fù)載電流,而這兩個(gè)電感上的電流紋波有相互抵消的作用,,所以,,最終得到了很小的輸出電流紋波;
3)流過(guò)每個(gè)濾波電感的平均電流只有輸出電流的一半,,與中間抽頭結(jié)構(gòu)相比較,,在輸出濾波電感上的損耗明顯減小了;
4)較少的大電流連接線(high current inter-connection),,在倍流整流拓?fù)渲?,它的副邊大電流連接線只有2路,,而在中間抽頭的拓?fù)渲杏?路;
5)動(dòng)態(tài)響應(yīng)很好,。
它唯一的缺點(diǎn)就是需要兩個(gè)輸出濾波電感,,在體積上相對(duì)要大些。但是,,有一種叫集成磁(integrated magnetic)的方法,,可以將它的兩個(gè)輸出濾波電感和變壓器都集成到同一個(gè)磁芯內(nèi),這樣可以大大地減小變換器的體積,。
2 電路基本工作原理
電路在一個(gè)周期內(nèi)可分為4個(gè)不同的工作模式,,如圖2所示,理想的波形圖如圖3所示,。
(a) 模式1[t0-t1]
(b) 模式2[t1-t2]
(c) 模式3[t2-t3]
(d) 模式4[t3-t4]
圖2 工作模式圖
圖3 工作波形圖
模式1[t0-t1] 在t=t0時(shí)刻,,開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通,變壓器原邊兩端的電壓為正,,且有Vp=Vin/2,;而開(kāi)關(guān)管S2一直都處于關(guān)斷狀態(tài),由于S1的導(dǎo)通,,S2的漏源極電壓(Vds2)被鉗位到輸入電壓,,即Vds2=Vin。變壓器副邊電壓Vsec為高電平,,同步開(kāi)關(guān)管SR1的門極也是高電平,,SR1導(dǎo)通。此時(shí),,負(fù)載的電流等于兩個(gè)輸出電感電流之和,,且全部流經(jīng)SR1。在這個(gè)模式下,,濾波電感Lo1上的電流是增大的,,而電感Lo2上的電流是減小的,它們的電流紋波有相互抵消的作用,,所以,,負(fù)載電流Io的紋波是很小的。
模式2[t1-t2] 在t=t1時(shí)刻,,S1關(guān)斷,。由于變壓器漏感Lk的存在,電流要繼續(xù)維持原來(lái)的方向,,所以,,如圖3(b)中所示,此時(shí)在變壓器原邊存在兩個(gè)回路,,一個(gè)是由C1,,Coss1,Lk構(gòu)成,,對(duì)S1的輸出結(jié)電容Coss1充電,;另一個(gè)是由C2,Coss2,,Lk構(gòu)成,,對(duì)S2的輸出結(jié)電容Coss2進(jìn)行放電。最后S1及S2的漏源極電壓都被鉗位在輸入電壓的一半,,即Vds2=Vds2=Vin/2,。同時(shí),變壓器原邊的電壓此時(shí)為零,,副邊也是零,,此時(shí),SR1及SR2都處于導(dǎo)通狀態(tài),,分別對(duì)兩個(gè)輸出電感上的電流進(jìn)行續(xù)流,。且兩個(gè)電感上的電流都是減小的,所以,,最后得到的輸出負(fù)載電流(ILo1+I(xiàn)Lo2)是減小的,。
模式3[t2-t3] 在t=t2時(shí)刻,S2導(dǎo)通,。S1處于關(guān)斷狀態(tài),,其兩端電壓也被鉗位到輸入電壓,即Vds1=Vin,。由圖2(c)中可以看出,,變壓器原邊的電壓為負(fù),且等于輸入電壓的一半,,即Vp=-Vin/2,。相對(duì)應(yīng)的同步管SR2導(dǎo)通,所有的負(fù)載電流都會(huì)流經(jīng)SR2,。且輸出電感電流ILo2是增大的,,ILo1是減小的。但最終得到的負(fù)載紋波電流是增大的,。
模式4[t3-t4] 在t=t3時(shí)刻,,S2關(guān)斷。在這個(gè)工作模式下,,原邊的工作原理同圖2(b)正好相反,。這時(shí),S1及S2都處于關(guān)斷狀態(tài),。存儲(chǔ)在變壓器原邊漏感中的能量對(duì)S1及S2輸出結(jié)電容進(jìn)行充放電,。其中對(duì)Coss1是放電,,而對(duì)Coss2進(jìn)行充電。變壓器原副邊的電壓都為零,,副邊的兩個(gè)同步整流管都被觸發(fā)導(dǎo)通,。兩個(gè)輸出電感上的電流都在不斷地減小,所以,,總的負(fù)載電流是減小的,。
在模式4[t3-t4]后,接著就進(jìn)入下一個(gè)周期,。
3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
在前面分析的拓?fù)浠A(chǔ)上,,完成了一個(gè)輸入為DC 36V,輸出為1V/25A的DC/DC變換器,。這個(gè)電路中所用到的參數(shù)見(jiàn)表1所列,,其中所有的參數(shù)和圖1的主電路中所標(biāo)注的是相對(duì)應(yīng)的。
表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
項(xiàng)目 | 參數(shù)或型號(hào) |
---|---|
輸入(Vin) | DC36V |
輸出(Vo/Io) | DC 1V/25A |
S1,,S2 | IRLU2905 |
SR1,,SR2 | IRLR7833 |
Lo1,Lo2 | 2.2μH |
Co | 1500μF/2.5V |
磁芯(core) | R-42216-EC |
匝比(turnratio) | 10:1 |
漏感(Lk) | 600nH |
開(kāi)關(guān)頻率(fs) | 310kHz |
圖4所示的是原邊兩個(gè)主管和副邊同步管的門極驅(qū)動(dòng)波形,。通道R2表示S1的驅(qū)動(dòng)波形,;通道R1表示S2的驅(qū)動(dòng)波形;通道1是同步管SR2的驅(qū)動(dòng)波形,;通道2是同步管SR1的驅(qū)動(dòng)波形,。由表1可以看到,變壓器漏感Lk=600nH,。所以,,在電流較小的時(shí)候,存儲(chǔ)在漏感中的能量不是很大,,因而開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷后的漏感和開(kāi)關(guān)管輸出結(jié)電容間的振蕩不是很大,,圖5所示的是在負(fù)載電流Io=5A時(shí)的S2漏源極vds2的波形。
圖4 門極驅(qū)動(dòng)波形
圖5 vds2波形(Io=5A)
當(dāng)變換器以滿載Io=25A輸出時(shí),,變壓器原邊的振蕩就明顯地增大,。這是因?yàn)椋?dāng)輸出電流增大的時(shí)候,,反映到原邊的電流也會(huì)增大,,所以,這個(gè)時(shí)候存儲(chǔ)在變壓器漏感中的磁能就會(huì)增大,,在toff期間內(nèi)振蕩的時(shí)間較長(zhǎng),,幅值也較大,如圖6所示。在大電流的拓?fù)渲?,這種振蕩的損耗也是不可忽略的,。圖7給出了變換器的效率曲線圖,最大值出現(xiàn)在Io=15A時(shí),。
圖6 vds2波形(Io=25A)
圖7 效率曲線圖
4 結(jié)語(yǔ)
對(duì)適于低壓大電流的整流拓?fù)洌ū读髡鳎秸鳎┑墓ぷ髟碜髁嗽敿?xì)的說(shuō)明,,并在分析的基礎(chǔ)上,給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。證明了這種整流拓?fù)湓诘蛪捍箅娏鱀C/DC變換器中的合理性,。隨著對(duì)電源性能要求的提高,,這種整流拓?fù)鋵?huì)越來(lái)越廣泛地被采用,。但應(yīng)該指出的是,變壓器的漏感應(yīng)該盡量地減小,,以減少原邊振蕩,。