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一、同步整流基本概念
■新的电源尺寸的需求,功耗的不断降低,要求供电电压也越来越低。
■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。在大电流输出场合二极管损耗占据主 导,可大到50% 到60%。
■用通态损耗低的功率MOS管-同步整流管代替整流二极管,可提高 DC-DC变换器的效率。
■为了这种电路能够正常运作,必须对同步整流器(SR)加以控制, 这是基本的要求。同步整流器是用来取代二极管的,所以必须选择适 当的方法,按照二极管的工作规律来驱动同步整流器。
同步整流的优势?
下图阐述了同步整流对于二极管整流的优势所在, 同步整流是线性的损耗,一定的Rds_on情况下,在很大一个范围内,同步整流都有损耗低的优势。
二、同步整流的基本原则
二极管 to 同步整流
1.二极管改为同步整流拓扑要符合MOS体二极管方向和原拓扑相同。
2.在改动时候应该注意到驱动的容易程度,如下图。容易的驱动 方法应该讲整流管(forward)改为下面以便共地方便驱动。
适用场合
■常规来讲低压大电流同步整流非常适合,如1.2V,3.3V,5V等,效率 可以得到明显的提升。
■最新的产品设计表明,即使在12V,28V,甚至55V输出电压下,如果 功率较高(>50W),即使MOS体二极管反向恢复差于快速二极管, 在良好设计的情况下,同步整流依然可以提升效率。
■传统的同步整流方案基本上都是PWM型同步整流,主开关与同步 整流开关的驱动信号之间必须设置一定的死区时间,以避免交叉导通,
三、同步整流的类别
同步整流从驱动方法上来说,分为外驱动同步整流,自驱动 同步整流和半自驱动同步整流。
同步整流的自驱动同步整流又可分为电压型自驱动和电流 型自驱动。
外驱动同步整流
外驱动同步整流技术的特点是驱动电压是来自外设驱动电路, 同步信号是由主开关管的驱动信号来控制。
优点:
1.控制时序精确,从而使得SR效率较高。
2.开关机的驱动时序容易控制。
缺点:
1.驱动电路比较复杂,需要有自己开发或者用特有的芯片来控制。
2.控制线路和驱动器的本身会带来额外损耗,低功率场合并不适用
3.价格贵,开发周期长
电压型自驱动同步整流
电压型自驱动同步整流的驱动电压一般来自于变压器同步整流管所 所在回路中的电压或者变压器其它辅助绕组,它需要要变压器波形 转换快,时序准确,死区小。
优点:
1.价格优势,不需要昂贵器件。
2.线路相对简单。
缺点:
1.驱动方式和电路拓扑本身关系很大,设计并不容易。
2. 驱动电平和输入电压,输出电压影响比较大。
3. 受变压器漏感影响;
4. 开关机过程的控制较困难。
电流型自驱动同步整流
电流型自驱动同步整流的驱动电压是来自于SR中的电流通过电流互 感器产生。
优点:
1.驱动波形无死区,不受输入电压和电路结构的影响。
2.适用于变压器波形并非正弦波的驱动,如谐振类拓扑LLC。
缺点:
1. 电流检测元件在副边大电流场合有损耗。
2. 电流检测元件通常较昂贵。
四、常见拓扑的同步整流方法
Buck
Buck拓扑的常见同步整流时序是较常规的互补驱动,多数为外 驱动型控制。
■一般来说,Buck类拓扑同步整流最多应用与低压场合,如输入5V12V,输出0.6V-3.3V。
■Buck类低压同步整流值得注意的是由于占空比多为不大的情况, 上管选择多为Qg较小的MOS来降低开关损耗,而下管由于续流时间 较长且零电压开通,多选择Rds_on较低的MOS降低导通损耗。
■有多种控制ic可以来实现buck同步整流的控制,如TI,intersil等, TI的adaptive control也有应用于buck类拓扑。
Forward
Forward拓扑的同步整流,尤其是自驱动的同步整流相对多 样化,原因在于如果Forward拓扑直接采用自驱动,不同的复位方 式需要不同的自驱动方法。
1.谐振复位,RCD复位,双管正激类的拓扑,由于变压器电压并不是互 补的电压,不适合直接自驱动,多采用栅荷保持+提前关断的方法。
2. 有源钳位拓扑,变压器电压为互补的电压,多采用直接的自驱动方 法,其中又分为直接自驱与第三绕组自驱动。
Forward-不同复位
RCD复位
有源钳位
Forward-栅荷保持+提前关断
Forward—有源钳位自驱动
Forward—其它
■上述自驱动线路只是最基本的电路思路,并不代表可直接使用。
■除了自驱动,传信号外驱动和变压器驱动也是可行的方案。
■Forward拓扑的自驱动方式是多种多样的,有更多其它的方式并没 有详细说明。
Flyback
Flyback拓扑的同步整流也是和拓扑本身的控制方式相关很 大,主要分为CCM模式和DCM模式
1.CCM模式下,空载和满载的占空比变化不大,空载或者轻载下模块 会有负电流,但可以带来较好的满载效率,适合低压的应用,但 Flyback CCM模式并不容易实现,需要对副边同步整流管提前原 边开通前关断
2. DCM模式需要对副边电流过零点进行采样关断副边MOS,会带来更 好的轻载效率,工作模式更像“二极管”,在高压输入的电源中,QR 模式非常适合做DCM的同步整流。
DCM or CCM
Fly-back—自驱动1-DCM
Fly-back—驱动变压器-CCM
Fly-back—自驱动-CCM
Fly-back—外驱动1-CCM
Full bridge
桥类拓扑的同步整流驱动方法最多应用为外驱动的方法,常 用信号变压器+驱动器或者数字隔离器+驱动器的方法来实现。
1. 桥式同步整流的一般原则是,变压器方向变换前,需要关断 副边的一组同步整流管以免产生共通。
2 . 半桥类,current doubler和一般的全桥在副边同步整流控制 上并没有区别。
这是常用的全桥控制芯片LM5035的应用图纸,这里应用了信号变压器+driver的方式来驱动副边同步整流管。
Ho, Lo是常用的桥式拓扑的A,B两组PWM信号,注意到副边 的SR1和SR2一定在原边开关管开通前关断,T1的死区一定要足 够,而T2死区后开通SR,变压器处于零阶段,SR1和SR2同时续流。
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