《電子技術應用》
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圖文:同步整流技術DC-DC模塊電源
摘要: 隨著DC-DC模塊電源向輸出低壓大電流的方向發展,同步整流技術的應用也越來越廣泛。與肖特基整流相比較,很顯然,在低壓大電流的應用中采用同步整流技術可以獲得更高的效率,同時,在某些應用方面,業界也發現采用同步整流技術的DC-DC模塊電源存在一些不同的特性,在某些特殊的應用場合,甚至不能直接替換采用肖特基整流的DC-DC模塊電源。本文從應用的角度分析了同步整流的技術特征以及對某些應用造成的影響,并提出了改進的同步整流技術方案和該方案的實際應用結果,新的方案在進一步提高效率的情況下,使電源的輸出特性與肖特基整流更加接近,能更大范圍地滿足應用的要求。
Abstract:
Key words :

1、 概述

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

 

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,關鍵波形見圖2。當原邊主開關管Q1開通時,通過變壓器T1向副邊傳輸能量,副邊工作在整流狀態,此時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導通,SR2關斷;當原邊主開關管Q1關斷時,變壓器T1原邊繞組的勵磁電流和負載電流流經C1,C1上的電壓開始上升,當C1電壓升至Vin時,原邊繞組中的負載電流下降為0,在勵磁電流的作用下原邊勵磁電感Lm與電容C1進行諧振,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磁復位,同時,副邊也進入到續流狀態,此時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關斷,SR2導通;這樣的工作狀態會周期性重復


 

3、基本同步整流電路的問題

3.1、續流管的驅動

如圖2中SR2的Vgs波形,由于驅動SR2的是正弦波諧振電壓,受主開關的占空比和諧振參數的影響,電壓波形變化較大,驅動效果也不理想,模塊效率較低。

3.2、輸出并聯

將兩個采用基本同步整流電路的DC-DC模塊電源輸出并聯將會產生很多問題,其中的一個嚴重問題就是“電流反灌”。下面通過一個簡單的例子說明“電流反灌”現象。如圖3所示,當模塊2正常工作而模塊1被關斷時,模塊2的輸出電壓VOUT會通過模塊1內部的L、T1的副邊繞組分別加到SR1、SR2的G、S之間,SR1、SR2會因此導通并流過較大的電流,同時,模塊2的輸出電壓VOUT會被拉低。對于模塊1來說,此時的電流是反向流入模塊的,稱之為“電流反灌”現象。在N個模塊并聯的系統中,設每個模塊的最大輸出電流為Io,當其中一個模塊被關斷時,流入這個模塊的反灌電流將會達到(N-1)×IO,這將會帶來嚴重的后果。

 4、改進的同步整流電路

4.1、電路描述

改進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繞組用于驅動SR1,N2繞組經半波整流用于驅動SR2,原邊同步信號SYNC經隔離,驅動小功率MOSFET S1,用于關斷SR2。其中的隔離驅動電路可以采用類似圖5的典型電路。關鍵信號的時序關系如圖6所示。

 


 

4.2、續流管的驅動

改進的同步整流電路通過半波整流的方式驅動SR2,驅動信號通過二極管D1給SR2的G、S間的等效電容Ci充電,由于MOSFET門極的輸入阻抗很大,Vgs將保持驅動信號的峰值不變,直到SYNC信號導通S1,將SR2的G、S間的電荷放掉。因而SR2的Vgs波形接近方波,并能維持到續流過程結束(見圖6中SR2的Vgs波形)。改進后的效率會更高。

 

4.3、輸出并聯

改進后的同步整流電路能夠支持多個模塊輸出并聯。如圖7所示,由于采用單獨的繞組N1、N2驅動同步整流管SR1、SR2,同步整流管的門極與輸出端VOUT沒有直接聯系,當模塊1 關機后,SR1、SR2的驅動電壓均為0,相當于二極管特性。在其它工作狀態,如啟動、待機、動態負載等情況下,并聯模塊也能正常工作。

5、應用結果

 

改進的同步整流技術應用在48V輸入,5V@20A輸出的DC-DC模塊電源上,效率可達到90%以上。圖8顯示了正常工作期間同步整流管的驅動波形,其中通道1是續流管的驅動波形,通道2是整流管的驅動波形。可見兩管的驅動波形既保證了適當的死區以避免直通,又能使通過二極管導通的時間盡量縮短,因而同步整流的效率很高。圖9顯示了兩個模塊并聯,當其中一個模塊關機時,在輸出并聯母線上的電壓波形,其中通道1是模塊1的關機信號,通道2是輸出并聯母線上的電壓波形。可見當其中一個模塊關機時,輸出并聯母線上的電壓不受影響。圖10顯示了單個模塊在輸出輕載和空載情況下關機的輸出端電壓波形,可見在關機后模塊的輸出電壓平緩下降,不會出現振蕩,其特性與肖特基整流的模塊電源基本一致。


 



 

 

 

6、總結

本文針對基本同步整流技術在應用中存在的一些問題進行了分析,并提出了改進的同步整流技術和具體的電路,該技術已應用在具有工業標準的磚系列DC-DC模塊電源中,并在實際應用中表現出優良的性能和兼容性。


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