半同步整流电路设计模块

1、硬件电路设计模块 模块编码： TS-C010203007 版本： V1.0 密级：秘密 ENP 研究管理部 执笔人：范国平 页数：共 15 页 半同步整流电路设计模块 实施日期 实施 发布日期 发布 艾默生网络能源有限公司 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0 文件编码： TS-C010203007 前言 本模块于发布日期首次发布； 本模块起草单位： DC/DC 研发部、研究管理部技术管理处； 本模块执笔人：范国平 本模块主要起草人：范国平 张辉 唐志 李卫平 本模块标准化审查人： 林攀 本模块批准人：董晓鹏 本模块修改记录： 第 2 页 共 16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0

2、 文件编码： TS-C010203007 更改信息表 版本 更改原因 更改说明 更改人 更改时间 第 3 页 共 16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0 文件编码： TS-C010203007 目录 前言2. 更改信息表 3. 目录4. 摘要5. 关键词 5. 专业术语 5. 1来源 5. 2满足技术指标 5. 3详细电路图 5. 4电路原理 6. 5电路比较 6. 6电路选择及 电路调试 1.1 7元器件清单 1.4 8附件清单 1.4. 第 4 页 共 16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0 文件编码： TS-C010203007 摘要 本规范基于 AG25 产品介绍了

3、半同步整流电路，比较分析了同步整流电路、 半同步整流电路以及肖特基二极管整流电路，指出了半同步整流电路的适用范 围，详细分析了该电路的设计思路及方法，介绍了电路的设计及调试要点。 关键词 半同步整流、防反灌、防反压、谐振复位、 同步驱动 专业术语 正激电路、同步整流、谐振复位、肖特基二极管整流、半同步整流 1 来源 本设计规范主要来源于 AG25-48S05/03 产品，适用于中小功率模块 2 满足技术指标 项目 指标 效率 5V ：88% 3.3V：84% 防反灌功能 有 防反压功能 有 3 详细电路图 图一：半同步整流主电路图 第 5 页 共16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0

4、 文件编码： TS-C010203007 4 电路原理 半同步整流电路采用单端正激 +谐振复位电路，副边采用 MOS 整流，肖特 基二极管续流的半同步整流电路，整流管驱动与原边主 MOS 管同步驱动，传递 能量， MOS 管关断后通过肖特基管续流实现能量交换。该电路效率较肖特基整 流效率有了明显的提高， 同时又可以防反灌、 防反压， 避免了同步整流电路的缺 点，控制电路简单，设计和调试简单，特别适合应用在中小功率电路设计中。 5 电路比较 同步整流、肖特基二极管整流电路、半同步整流电路比较及选用 1、电路拓扑比较 A、肖特基二极管整流电路 L1 D3 +VO 1 O N2 D1 C2 C3 -

5、VO 图二：肖特基二极管整流主电路图 肖特基二极管整流电路电路拓扑简单， 控制简单。由于采用肖特基二极管整 流，在电路原理上可以避免反灌，同时也可以防反压，而且二极管无需控制，大 大简化了电路；但同时由于肖特基二极管压降比较大，对于低压大电流应用中， 肖特基二极管的损耗也就相对比较大了， 模块效率会比较低， 散热比较困难， 不 适合应用在这种条件下；在中小功率高电压输出比如 12V、15V 输出应用中，二 极管的损耗就相对很小了，采用这种电路就有优势。 B、同步整流电路 为了克服低压大电流应用中由二极管带来的损耗，整流管和续流管采用 MOS 管，即采用同步整流电路，由于 MOS管压降远小于肖特

6、基二极管的压降， 故同步整流的副边损耗可以大大降低， 从而大大提高了模块的效率。 但由于 MOS 管需要驱动，这就需要增加控制电路，而这也带来了相关的问题，比如反灌、反 压问题，以下是几种同步整流电路的控制方式： 1、同步整流电路方案选择一 第6 页 共16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0 文件编码： TS-C010203007 +VI VCC C7 -VI Q4 R2 R3 Q5 O 5 C 副边整流管驱动部分的电压 Vgs为：Vgs Vin N4 N1 关断反压为： Vgs Vcr N4 N1 DRIVE 图三：同步整流主电路图一 优点：（ 1）辅助驱动绕组独立，副边 MOS

7、管Vgs更好控制 （2）可以防反灌 Vcr 为原边谐振电压 副边续流管驱动部分的电压 Vgs 为：Vgs Vcr N3 N1 由于 N3 和 N4 的选取可以根据副边所选用整流管及续流管的驱动门槛电压 和最大允许电压选取， 不直接受副边匝数 N2 的限制，设计和调试就相对简单了 2、同步整流电路方案选择二 R4 +VO O +VI 1 VCC C1 C7 Q N4 O N2 Q2 Q3 L1 -VI C2 C3 -VO 1 R3 Q5 Q1 DRIVE 图四：同步整流主电路图 第7 页 共16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0 文件编码： TS-C010203007 优点：辅助驱动绕

8、组独立，副边 MOS 管Vgs更好控制 缺点：不可以防反灌 缺点：（1）、不可以防反灌 （2）无独立驱动绕组，驱动电压直接由副边提供，设计和调试更难 优点：控制简单 副边整流管驱动部分的电压 Vgs为：Vgs Vin N2 N1 关断反压为： Vgs Vcr N2 N1 Vcr 为原边谐振电压 副边续流管驱动部分的电压 Vgs为：Vgs Vcr N2 N1 由上面可以看出，驱动电压受 N2 匝比限制，而 N 2由输入输出电压决定， N1 N1 因此整流管和续流管选择余地比较小，设计和调试就比较困难了。 C、半同步整流电路 半同步整流电路副边整流管采用 MOS 管、续流管采用肖特基整流管，整流

9、管与原边主 MOS 管同步控制，由于整流管采用了 MOS 管，这样可以降低整流 第 8 页 共 16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0 文件编码： TS-C010203007 管上的损耗从而降低副边的损耗， 提高模块的效率， 而且整流管控制可以直接通 过变压器控制驱动， 简化了电路， 由于提高了效率， 同时电路相对也简单， 因此， 这种电路特别适合于中低功率低压 2.5V 、3.3V、5V 电路设计中，以下是几种半 同步整流电路控制方案： 1、半同步整流电路方案选择一 优点：驱动无负压（除磁复位短时间外） 缺点：不可以防反灌 L1 图六：半同步整流主电路图一 2）需另加防反灌电路 图

10、七：半同步整流主电路图 2、半同步整流电路方案选择二 缺点：（ 1）无独立驱动绕组，驱动电压直接由副边提供，设计和调试更难 三、半同步整流电路方案选择三 优点：（ 1）可以防反灌 （2）辅助驱动绕组独立，副边 MOS 管Vgs更好控制 第9 页 共16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0 文件编码： TS-C010203007 四、半同步整流电路方案选择四 优点：（ 1）可以防反灌 （2）辅助驱动绕组独立，副边 MOS 管Vgs更好控制 （3）整体效率略高于方案三 图九：半同步整流主电路图四 以上比较了四种半同步整流的优缺点， 第四种半同步整流电路采用单独绕组 进行控制驱动，控制简单，

11、绕组匝数可以根据 MOS 管驱动电压范围选取。由于 采用单独绕组驱动， 绕组驱动电压由变压器变比确定， 驱动信号与原边 MOSFET 同步，由控制芯片决定，因此可以实现防反灌、防反压功能。相对这四种半同步 整流电路而言，这种半同步整流电路更适合电路设计应用。 从以上分析可以看出， 对于控制电路， 肖特基二极管整流电路最简单， 同步 整流电路最复杂； 而对于效率及散热而言， 肖特基二极管整流电路效率最低， 同 步整流电路效率最高， 因此电路设计时必须综合考虑这两个因素， 对于高压输出 特别是中小功率的高压输出（ 12V 、15V）的模块，采用肖特基二极管整流电路 就很合适，这样可以采用最少的器件

12、，控制最为简单，同时效率也比较高；而对 于低压大电流输出的模块，同步整流电路就显示出了它的优势；对于中低功率 （2.5V、3.3V、5V）的应用，半同步整流电路变极为适合了，一是采用半同步 第 10 页 共 16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0 文件编码： TS-C010203007 整流电路效率比较高，散热不存在问题；二来控制电路也比较简单。 2 、电路效率比较 为了定量分析半同步整流、肖特基整流、同步整流电路拓扑对效率的影响， 分别把这三种电路应用于 AG25-48S05电路，对比 Vin =48V输入电压下各自的效 率： 同步整流 MOS 管选用 FARICHILD 公司的

13、FDS6670A，肖特基二极管选用 ON 公司的 MBRD1035CTL ，查得对应的应用手册 FDS6670A 导通电阻在 VGS=4.5V 时为 0.010 ，Qgs 9nC ，COSS=820pF，MBRD1035CTL 在 5A常温 下导通压降： VF =0.47V 。AG25-48S05 的变压器匝比为 4：1，48V 输入下的占 空比 D 大约为 46%，谐振电压为 Vcr =80V 。 对于同步整流电路副边的整流管、 1 Vcr 2 2 Coss( ) fs I 2RMS Rds(on) 2n 1 820 80 2 330 103 10 12 24 48 3 12 330 103

14、 10 12 0.324W 4 续流管的损耗可以计算为： PlossI1RMS Rds(on ) (5* 0.46)2 0.01 21 Coss(Vnin ) 2 fs 21 (5* 0.54 )2 0.01 820 2 另外由于同步整流电路续流管还需要驱动变压器及相应的控制电路驱动， 这 一部分也会给电路带来相应的功率损耗， 造成效率相对半同步整流电路没有明显 的提高。 对于半同步整流电路副边 MOS 管及肖特基二极管的损耗可以计算为： 1RMS Rds( on) 21Coss(Vncr )2 fs Io VF (1 D) 2n (5* 0.46)2 0.01 0.47* 5 * 0.54

15、1.384W 对于肖特基二极管整流电路副边肖特基二极管损耗可以计算为： 0.47*5=2.35W，肖特基二极管的导通损耗占总功率的 9.4%，相对半同步整流电 路降低了将近 4 个百分点。 6 电路选择及电路调试 AG25-48S05设计初期，考虑到热设计的要求，对主电路拓扑进行了各种比 较优化。 首先 AG25-48S05 预研初期采用同步整流电路进行了设计， 并且搭接了电路 进行实验， 48V 输入下测试的效率为 89%，但控制电路相对较为复杂， 带来了一 些如反灌等缺点， 需要另外加一些控制电路来消除这些不利影响， 而且控制电路 本身也带来了效率的降低和成本的增加。 另外 AG25-48

16、S05 由于采用了开放式结 构，主板的面积有限， 要另外加电路比较困难， 而且采用同步整流电路也会增加 调试的难度，因此，项目组实验了半同步整流电路作为主电路拓扑进行了实验。 第 11 页 共 16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0 文件编码： TS-C010203007 半同步整流电路整流管采用 MOSFET 作为开关管、肖特基二极管作为续流 管，驱动另外外加绕组驱动，由于与原边 MOSFET 管同步驱动，整流管控制简 单，48V 输入电压下同一变压器、同一电感下效率为 88.8%，略低于同步整流电 路，但是由于电路拓扑固有的特性，控制电路相对同步整流电路大大的简化了， 使得布线简

17、单， 同时由于控制电路上的简化， 效率相对同步整流电路也没有明显 的降低，热方面也完全可以满足要求。 另外，在 AG25-48S05 的开发过程中，项目组也采用了肖特基二极管整流进 行了实验，由于肖特基二极管本身的损耗，电路效率很低， 48V 输入电压下同一 变压器、同一电感下效率仅为 85.3%，热方面比较临界。 针对三种电路的比较， AG25-48S05 采用了半同步整流电路作为主拓扑结构， 对电路进行了详细的设计和调试， 下图电路为 AG25 电路所选择的半同步整流主 电路： +vin -vin C1 1 2 2 Q4 3 D83 R57A L2 C54 C55A +Uo -Uo 设计调

18、试要点： 这里主要介绍一下变压器匝比的确定及续流管的选择 变压器匝比的确定必须遵从以下的原则： a、驱动必须保证低温低压输入时副边整流管驱动绕组能够驱动所选 用的 MOS 管； b、驱动必须保证整流管 Vgs 不能超标； c、变压器效率最优化，铁损、铜损接近； d、应考虑辅助电源电压范围； 以上几条必须在设计变压器时详细考虑。 1、变压器的选择 a、原边副边匝数的选择 匝比的选择根据输入输出电压可以算出为 4：1 原副边匝数的选择应该尽量 使效率得到优化，铁损、铜损接近，这一部分的内容可以参考 AG25-48S05 设计 计算书。 b、辅助电源匝数的选择 辅助电源的匝数选取原则可以根据输出上调

19、和下调来选择， 总体原则为： 上 调时，辅助电源电压不能太高，尽量控制在 16V 以下，过压时不要超过控制芯 片要求；下调时辅助电源应该保证电流连续时辅助电源工作， 保证启动电路关断， 这样下调时效率可以得到保证。 根据这个原则， AG25-48S05辅助电源匝数选取为 8 匝，输出标称电压时的 第 12 页 共 16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0 文件编码： TS-C010203007 8 辅助电源电压为： V辅助5.3 0.6 13.53V 3 下调时辅助电源电压为： V辅助 8 4 8 0.6 12 2V 3 上调时辅助电源电压为： V辅助 8 5.8 0.6 14 87V

20、 3 以上计算考虑了副边线路压降为 0.3V（包括管子的压降） ，原边辅助电源线 路压降为 0.6V（包括辅助绕组边二极管的压降） 。从上面计算可以看出，辅助电 源的电压下调时可以保证启动电源可靠关断，上调时辅助电源电压也不会太高， 过压时也不会超标。 c、动绕组匝数的选择 AG25-48S05 选用 FDS6670 作为整流管， FDS6670 的最小驱动电压典型为 1.6V（最大 3V），最大不能超过 20V， Vds 最大为 30V，变压器匝数比为 12：3， 选取驱动绕组为一匝，这样驱动电压可以保证在 3.2V-6.25V 之间，保证了整流 管可以驱动，电压也不会超标；关断时 Vgs

21、Vcr N3 Vcr 1 Vcr 。原边谐振 gs N1 12 12 电压尖峰只有超过 240V 时，整流管驱动反压才会超标，因此只要原边 MOS 管 应力没有很大的超标，副边整流管 Vgs 应力肯定不会超标，调试就比较容易了； 如果选取匝数为 2 匝，驱动电压可以计算为： 6.4-12.5V 之间，加上电压尖峰， Vgs 容易超标；关断时，谐振电压反射过来的电压 Vgs Vcr N3 N1 Vcr 2 Vcr 12 6 ，可 以看出，原边谐振电压尖峰超过 120V 时，此时原边应力没有超标，但整流管驱 动反压已经超标了， 调试就比较困难了， 必须保证 36V 输入时原边 MOS 管电压 应力

22、控制在 156V，这就比较困难了，同样整流管的 Vds 也容易超标，这样就会给 后续的调试工作带来极大的困难。 2、续流管的选择 续流管选择主要考虑电压电流应力： 续流管电压应力最大值出现在高压输入时，此时续流管应力为： V 75 Vds Vin 75 18.75V ，加上尖峰电压， 续流管电压应该选取 30V 以上的肖特基 n4 二极管，电流应力最大值出现在短路情况下， AG25-48S05 额定电流为 5A，短路 电流为 7A左右，因此电流应该选取 10A 左右的二极管，根据公司的器件平台， 续流管选取 ON 公司的 MBRD1035CTL ，电压最大值 35V，电流最大值 10A，为 DPAK 封装，符合步板要求。 第 13 页 共 16 页 半同步整流电路设计模块 版本： 1.0 文件编码： TS-C01020300