同步整流技術(shù)DC-DC模塊電源

1、 概述

DC-DC模塊電源為了滿足小型化的要求，一般會(huì)選擇簡(jiǎn)單可靠的功率級(jí)電路，其中，諧振復(fù)位正激＋同步整流電路（圖1）在DC-DC模塊電源中應(yīng)用比較廣泛，下面將以此電路為例進(jìn)行分析。

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2、 基本同步整流電路

如圖1所示電路，其副邊為基本同步整流電路，關(guān)鍵波形見(jiàn)圖2。當(dāng)原邊主開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)通時(shí)，通過(guò)變壓器T1向副邊傳輸能量，副邊工作在整流狀態(tài)，此時(shí)SR1的Vgs電壓為變壓器副邊繞組電壓，極性為正，SR2的Vgs電壓為零，因而SR1導(dǎo)通，SR2關(guān)斷；當(dāng)原邊主開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，變壓器T1原邊繞組的勵(lì)磁電流和負(fù)載電流流經(jīng)C1，C1上的電壓開(kāi)始上升，當(dāng)C1電壓升至Vin時(shí)，原邊繞組中的負(fù)載電流下降為0，在勵(lì)磁電流的作用下原邊勵(lì)磁電感Lm與電容C1進(jìn)行諧振，諧振電壓Vr為正弦波，諧振周期Tr=2π√LmC2，諧振電壓Vr加到變壓器T1的原邊繞組上使T1磁復(fù)位，同時(shí)，副邊也進(jìn)入到續(xù)流狀態(tài)，此時(shí)SR1的Vgs電壓為0，SR2的Vgs電壓為變壓器副邊繞組電壓，電壓波形為正弦波，極性為正，因而SR1關(guān)斷，SR2導(dǎo)通；這樣的工作狀態(tài)會(huì)周期性重復(fù)

3、基本同步整流電路的問(wèn)題

3.1、續(xù)流管的驅(qū)動(dòng)

如圖2中SR2的Vgs波形，由于驅(qū)動(dòng)SR2的是正弦波諧振電壓，受主開(kāi)關(guān)的占空比和諧振參數(shù)的影響，電壓波形變化較大，驅(qū)動(dòng)效果也不理想，模塊效率較低。

3.2、輸出并聯(lián)

將兩個(gè)采用基本同步整流電路的DC-DC模塊電源輸出并聯(lián)將會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題，其中的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題就是“電流反灌”。下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明“電流反灌”現(xiàn)象。如圖3所示，當(dāng)模塊2正常工作而模塊1被關(guān)斷時(shí)，模塊2的輸出電壓VOUT會(huì)通過(guò)模塊1內(nèi)部的L、T1的副邊繞組分別加到SR1、SR2的G、S之間，SR1、SR2會(huì)因此導(dǎo)通并流過(guò)較大的電流，同時(shí)，模塊2的輸出電壓VOUT會(huì)被拉低。對(duì)于模塊1來(lái)說(shuō)，此時(shí)的電流是反向流入模塊的，稱(chēng)之為“電流反灌”現(xiàn)象。在N個(gè)模塊并聯(lián)的系統(tǒng)中，設(shè)每個(gè)模塊的最大輸出電流為Io，當(dāng)其中一個(gè)模塊被關(guān)斷時(shí)，流入這個(gè)模塊的反灌電流將會(huì)達(dá)到(N-1)×IO，這將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。

?4、改進(jìn)的同步整流電路

4.1、電路描述

改進(jìn)的同步整流電路如圖4，副邊同步整流管SR1移到上端，SR1、SR2采用共漏極接法，從變壓器抽取N1、N2繞組，N1繞組用于驅(qū)動(dòng)SR1，N2繞組經(jīng)半波整流用于驅(qū)動(dòng)SR2，原邊同步信號(hào)SYNC經(jīng)隔離，驅(qū)動(dòng)小功率MOSFET S1，用于關(guān)斷SR2。其中的隔離驅(qū)動(dòng)電路可以采用類(lèi)似圖5的典型電路。關(guān)鍵信號(hào)的時(shí)序關(guān)系如圖6所示。

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4.2、續(xù)流管的驅(qū)動(dòng)

改進(jìn)的同步整流電路通過(guò)半波整流的方式驅(qū)動(dòng)SR2，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)二極管D1給SR2的G、S間的等效電容Ci充電，由于MOSFET門(mén)極的輸入阻抗很大，Vgs將保持驅(qū)動(dòng)信號(hào)的峰值不變，直到SYNC信號(hào)導(dǎo)通S1，將SR2的G、S間的電荷放掉。因而SR2的Vgs波形接近方波，并能維持到續(xù)流過(guò)程結(jié)束（見(jiàn)圖6中SR2的Vgs波形）。改進(jìn)后的效率會(huì)更高。

4.3、輸出并聯(lián)

改進(jìn)后的同步整流電路能夠支持多個(gè)模塊輸出并聯(lián)。如圖7所示，由于采用單獨(dú)的繞組N1、N2驅(qū)動(dòng)同步整流管SR1、SR2，同步整流管的門(mén)極與輸出端VOUT沒(méi)有直接聯(lián)系，當(dāng)模塊1 關(guān)機(jī)后，SR1、SR2的驅(qū)動(dòng)電壓均為0，相當(dāng)于二極管特性。在其它工作狀態(tài)，如啟動(dòng)、待機(jī)、動(dòng)態(tài)負(fù)載等情況下，并聯(lián)模塊也能正常工作。

5、應(yīng)用結(jié)果

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改進(jìn)的同步整流技術(shù)應(yīng)用在48V輸入，5V@20A輸出的DC-DC模塊電源上，效率可達(dá)到90%以上。圖8顯示了正常工作期間同步整流管的驅(qū)動(dòng)波形，其中通道1是續(xù)流管的驅(qū)動(dòng)波形，通道2是整流管的驅(qū)動(dòng)波形?？梢?jiàn)兩管的驅(qū)動(dòng)波形既保證了適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)以避免直通，又能使通過(guò)二極管導(dǎo)通的時(shí)間盡量縮短，因而同步整流的效率很高。圖9顯示了兩個(gè)模塊并聯(lián)，當(dāng)其中一個(gè)模塊關(guān)機(jī)時(shí)，在輸出并聯(lián)母線上的電壓波形，其中通道1是模塊1的關(guān)機(jī)信號(hào)，通道2是輸出并聯(lián)母線上的電壓波形?？梢?jiàn)當(dāng)其中一個(gè)模塊關(guān)機(jī)時(shí)，輸出并聯(lián)母線上的電壓不受影響。圖10顯示了單個(gè)模塊在輸出輕載和空載情況下關(guān)機(jī)的輸出端電壓波形，可見(jiàn)在關(guān)機(jī)后模塊的輸出電壓平緩下降，不會(huì)出現(xiàn)振蕩，其特性與肖特基整流的模塊電源基本一致。

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6、總結(jié)

本文針對(duì)基本同步整流技術(shù)在應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)的同步整流技術(shù)和具體的電路，該技術(shù)已應(yīng)用在具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的磚系列DC-DC模塊電源中，并在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)良的性能和兼容性。