同步整流电路分析

1、同步整流电路分析一、传统二极管整流电路面临的问题近年来，电子技术的发展，使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工 作有利于降低电路的整体功率消耗，但也给电源设计提出了新的难题。开关电源的损耗主要由 3部分组成：功率开关管的损耗，高频变压器的损耗，输出端 整流管的损耗。在低电压、大电流输出的情况下，整流二极管的导通压降较高，输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管（frd或超快恢复二极管（srd可达1.01.2v,即使采用低压降的肖特基二极管（sbd ,也会产生大约 0.6v的压降，这就导致整流损耗增大， 电源效率降低。举例说明，目前笔记本电脑普遍采用3.3v甚至1.8v或1.5v的供

2、电电压，所消耗的电流可达20a。此时超快恢复二极管的整流损耗已接近甚至超过电源输出功率的50%。即使采用肖特基二极管，整流管上的损耗也会达到（18%40%） po,占电源总损耗的 60%以上。因此，传统的二极管整流电路已无法满足实现低电压、大电流开关电源高效率及小体积的需要，成为制约dc/ dc变换器提高效率的瓶颈。二、同步整流的基本电路结构同步整流是采用通态电阻极低的专用功率mosfet来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高d。dc变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率 mosfeti于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率 mosfe

3、做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能， 故称之为同步整流。1、基本的变压器抽头方式双端自激、隔离式降压同步整流电路图1单端降压式同步整流器的基本原理图基本原理如图1所示，v1及*为功率mosfet在次级电压的正半周，v1导通，v2关断,m起整流作用；在次级电压的负半周，m关断，v2导通，v2起到续流作用。同步整流电路的功率损耗主要包括 v1及v2的导通损耗及栅极驱动损耗。当开关频率低于1mhz时，导通损耗占主导地位；开关频率高于 1mhz时，以栅极驱动损耗为主。图2单端降压式同步整流器的基本原理图该电路的基本特点是：1）变压器副边只需一个绕组，与中间抽头结构相

4、比较，它的副边绕组数只有中间抽头 结构的一半，所以损耗在副边的功率相对较小；2）输出有两个滤波电感，两个滤波电感上的电流相加后得到输出负载电流，而这两个 电感上的电流纹波有相互抵消的作用，所以，最终得到了很小的输出电流纹波；3）流过每个滤波电感的平均电流只有输出电流的一半，与中间抽头结构相比较，在输 出滤波电感上的损耗明显减小了；4）较少的大电流连接线（high current inter-connection ）,在倍流整流拓扑中， 它的副边大电流连接线只有2路，而在中间抽头的拓扑中有3路；5）动态响应很好。它唯一的缺点就是需要两个输出滤波电感，在体积上相对要大些。但是，有一种叫集 成磁（i

5、ntegrated magnetic ）的方法，可以将它的两个输出滤波电感和变压器都集成到同 一个磁芯内，这样可以大大地减小变换器的体积。三、电路实例分析16.5w同步整流式d。dc电源变换器的设计下面介绍一种正激、隔离式16.5wd。dc电源变换器，它采用 dp/v switch系列单片开关式稳压器dpa424r直流输入电压范围是 3675v,输出电压为3.3v,输出电流为5a, 输出功率为16.5w。采用400khz同步整流技术，大大降低了整流器的损耗。当直流输入电 压为48v时，电源效率 刀=87%。变换器具有完善的保护功能，包括过电压/欠电压保护， 输出过载保护，开环故障检测，过热保护

6、，自动重启动功能、能限制峰值电流和峰值电压以避免输出过冲。由dpa424r勾成的16.5w同步整流式djdc电源变换器的电路如图 6所示。与分立元 器件构成的电源变换器相比，可大大简化电路设计。由ci、li和g构成输入端的电磁干扰（emi）滤波器，可滤除由电网引入的电磁干扰。r用来设定欠电压值（uuv）及过电压值（uov）, 取 r=619kq 时，uu尸619kq x 50 科 a+ 2.35v=33.3v , uo=619ka x135a+ 2.5v=86.0v。当输入电压过高时 r还能线性地减小最大占空比，防止磁饱和。r为极限电流设定电阻，取f3=11.1k q时，所设定的漏极极限电流

7、i limit=0.6 i limit=0.6 x2.50a=1.5a。电路中的稳压管 vdzi （smbj150对漏极电压起箝位作用，能确保高频变压器磁复位。5+36-75vliph 2 5a噂kv用i的ciq_lp.loqvx2wdismbj150ici dpa424rt曲igvdi rbmc 工ttt vtmosfetsi4soom1.oq+c1一道吓v(4.7 mfic* ;pc357 ；vd(cil 55$3河乂 3i mf+3.31_ + _| +hbav19ws施 15oq2?lm431岛i itiokrlt idcfcf岛 户：lokn f324kg5.1q 晶22oq图6 1

8、6.5w同步整流式dc/ dc电源变换器的电路该电源采用漏源通态电阻极低的si4800型功率mosfe数整流管，其最大漏源电压lds（max）=30v,最大栅源电压 ugs（max=20v,最大漏极电流为9a （25c）或7a （70c）,峰值漏极电流可达 40a,最大功耗为2.5w（25c）或1.6w（70c）。si4800的导通时间tor=13ns （包含导通延迟时间 td（0n）=6ns,上升时间tr=7ns）,关断时间tof=34ns （包含关断延迟时间td（0ff）=23ns,下降时间tf=11ns）,跨导gfs=19s。工作温度范围是55+150c。si4800内部有一只续流二极管

9、vd,反极性地并联在漏源极之间（负极接d,正极接s）,能对mosfet功率管起到保护作用。vd的反向恢复时间trr=25ns。功率mosfet1双极型晶体管不同，它的栅极电容cgs较大，在导通之前首先要对cgs进行充电，仅当 os上的电压超过栅一源开启电压us（th）时，mosfet开始导通。对 si4800而言，us（th）0.8vo为了保证 mosfets,用来对 cgs充电的 5要比额定值高一些，而且 等效栅极电容也比 qs高出许多倍。si4800的栅一源电压（us）与总栅极电荷（q）的关系曲线如图7所示。由图7可知qg=qs+ q叶 qd (1)式中：qgs为栅一源极电荷;qd为栅一漏

10、极电荷，亦称米勒（ miller ）电容上的电荷;qd为米勒电容充满后的过充电荷。图7 si4800的ugs与qg的关系曲线当ug=5v时，qs=2.7nc, qgd=5nc, q=4.1nc,代入式（1）中不难算出，总栅极电荷q=11.8nc。等效栅极电容 cei等于总栅极电荷除以栅一源电压，即cei=q/ ugs 将q=11.8nc及ugs=5v代入式（2）中，可计算出等效栅极电容 qi=2.36nf。需要指出， 等效栅极电容远大于实际的栅极电容（即qiqs）,因此，应按cei来计算在规定时间内导通所需要的栅极峰值驱动电流 ig（pko o ig（p口等于总栅极电荷除以导通时间，即ig=q

11、/ t0n （3）将q=11.8nc, ton=13ns代入式（3）中，可计算出导通时所需的 i g（pk）=0.91a。同步整流管v2由次级电压来驱动， r为v2的栅极负载。同步续流管 m直接由高频变压 器的复位电压来驱动， 并且仅在v2截止时v1才工作。当肖特基二极管 vd2截止时，有一部分 能量存储在共模扼流圈 l2上。当高频变压器完成复位时， vd2续流导通，l2中的电能就通过 vd继续给负载供电，维持输出电压不变。辅助绕组的输出经过vd和c4整流滤波后，给光耦合器中的接收管提供偏置电压。q为控制端的旁路电容。 上电启动和自动重启动的时间由g决定。输出电压经过 r0和ri分压后，与可调

12、式精密并联稳压器 lm431中的2.50v基准电压进 行比较，产生误差电压，再通过光耦合器 pc357去控制dpa424刖占空比，对输出电压进行 调节。r、vd和g构成软启动电路，可避免在刚接通电源时输出电压发生过冲现象。刚上 电时，由于 g两端的电压不能突变，使得 lm431不工作。随着整流滤波器输出电压的升高 并通过r给g充电，c3上的电压不断升高，lm431才转入正常工作状态。在软启动过程中， 输出电压是缓慢升高的，最终达到3.3v的稳定值。四、用于同步整流的功率 mosfe最新进展为满足高频、大容量同步整流电路的需要，近年来一些专用功率mosfe不断问世，典型产品有fairchild公

13、司生产的 nds841 n沟道功率mosfet其通态电阻为 0.0150。philips 公司生产的si4800型功率mosfets用trenchmosmfe术制成的，其通、断状态可用逻辑电平来控制，漏源极通态电阻仅为 0.0155 a。ir公司生产的irl3102 (20v/ 61a)、 irl2203s (30v/ 116a)、irl3803s (30v/ 100a)型功率 mosfet 它们的通态电阻分别为 0.013 、0.007 q和0.006 q ,在通过 20a电流时的导通压降还不到0.3v。这些专用功率mosfet勺输入阻抗高，开关时间短，现已成为设计低电压、大电流功率变换器的首选整流器件。最近，国外ic厂家还开发出同步整流集成电路(sric)。例如，ir公司最近推出的ir1176就是一种专门用于驱动 n沟道功率mosfet勺高速cmo骁制器。ir1176可不依赖于 初级侧拓扑而单独运行，并且不需要增加有源箝位( active clamp)、栅极驱动补偿等复杂 电路。ir1176适用于输出电压在 5v以下的大电流 dc/dc变换器中的同步整流器，能大大 简化并改善宽带网服务器中隔离式dc/ dc变换器的设计。ir1176配上irf7822