原创 同步整流开关电源的工作原理及其设计分析

同步整流开关电源的工作原理及其设计分析
摘要:本文介绍了DPA426的外部引脚、内部电路及功能模块.说明了同步整流电路的基本工作原理.根据DPA426的特性给出了同步整流开关电源的设计方法和具体的设计电路,并对外围电路的设计进行了分析,最后给出了测试结果及设计注意事项应用总汇.

        引言

        单片开关电源集成电路具有集成度高、外围电路简单、性价比高、性能指标优良等特点,因而得到广泛的发展和应用.目前,PI公司最新推出的DPA-Switch系列电路的集成度更高,性能更优良,适用于开发低电压和大功率分布式供电系统.

        同步整流(SynchronousRectification)是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET取代传统的整流二极管以降低整流损耗的技术.它能够大大提高DC/DC变换器的效率并不存在由快速恢复二极管势垒电压造成的死区电压.

        同步整流的基本原理

         单端正激、隔离降压同步整流的基本原理电路如图1所示,其中,Q1、Q2为功率MOSFET.该电路的工作原理为在次级电压的正半周期,Q1导通、Q2关 断,在次级电压的负半周期,Q2导通、Q1关断.同步整流电路的功率损耗主要包括MOSFET的导通损耗和栅极驱动损耗,在开关频率低于1MHz时,以导 通损耗为主.

        正激式DC/DC变换器在功率管截止期间必须有将高频变压器复位的电路,以防止变压器磁芯饱和,一般采用C、R、VD无源箝位电路.当功率管V截止时,高频变压器初级线圈由R、VD电路构成的放电通路使变压器复位.
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DPA-Switch电路的内部结构与工作原理

        DPA -Switch电路是6端器件,6个引脚分别为控制端C、线路检测端L、外部设定极限电流端X、开关频率选择端F、源极S和漏极D.线路检测端可实现过压 检测、欠压检测、电压反馈、远程通断和同步等功能.将开关频率选择端与源极端连接时,开关频率为400kHz,而将其连接控制端时,开关频率为 300kHz.其内部原理框图如图2所示.

(1)控制电压源
        用于控制电压UC以向并联调整器和门驱动器级提供偏置电压.控制电流IC用来调节占空比.

(2)带隙基准电压源
        用于向内部提供各种基准电压,同时产生一个具有温度补偿并可调整的电流源,以保证精确设定振荡器频率和门级驱动电流.

(3)振荡器
        用于产生脉宽调制器所需要的锯齿波、时钟信号及最大占空比信号(Dmax).

(4)并联调整器和误差放大器
        误差放大器用于将反馈电压Uf与5.8V基准电压进行比较以输出误差电流Ir,从而在电阻Rs上形成误差电压Ur.

(5)脉宽调制器(PWM)

         脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路,具有两个功能:一是改变控制端电流IC的大小,即调节占空比,实现脉宽调制;二是将误差电压Ur经由Ra和Ca组成 的截止频率为7kHz的低通滤波器进行滤波,以在滤掉开关噪声电压后,加至PWM比较器的同相输入端,然后再与锯齿波电压Uj进行比较,从而产生脉宽调制 信号Ub.

(6)门驱动级和输出级
        门驱动级(F)用于驱动功率开关管(MOSFET),使之按一定速率导通,MOSFET管的漏-源击穿电压Uds大于700V.

(7)过流保护电路
        过流比较器的反相输入端接阈值电压Ulimit,同相输入端接MOSFET管的漏极.

(8)过热保护电路
        当结温Tj高于<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />135℃时,过热保护电路将关断输出级;而当结温Tj低于70℃时,电路将恢复正常工作,即电路具有滞后过热保护特性.

(9)关断/自动重启动电路
        一旦出现调节失控,将立即使芯片在低占空比下工作,若故障排除,则自动重新启动电源,恢复系统正常工作.

(10)高压电流源
        在启动或滞后调节模式下,高压电流源经过电子开关S给内部电路提供偏置.电源正常工作时,电子开关S改接内部电源,将高压电流源关断.

        应用DPA426的开关电源设计

         由DPA426控制的开关电源的设计指标为:输入直流电压范围U1为36~75V,输出直流电压Uo为12V,输出电流Io为8A时,输出功率Po为 96W;当输入电压为50V时,电源效率大于90%.开关电源采用同步整流和正激变换技术,使得对低电压大电流的整流效率得到显著提高.电路原理如图3所 示.选择开关频率为300kHz,故应使开关频率选择端F与控制端C连接.

(1)偏置电压获取电路
         本电路利用耦合电感器来获取偏置电压,主要由耦合电感器L、光耦合器U2及二极管D2等来实现,由于光耦合器两端的电压是可控的,故偏置电压可通过选择开 关频率、旁路电容及最小负载来进行调节.调整时在最小负载或最大输入电压的情况下,控制端的最小偏置电压为8V.

(2)磁复位电路
         磁复位要求漏极电压要高于输入电压,但必须保证在复位时漏极电压不能超过规定值.磁复位电路由R4和C4组成.该电路可以使高频变压器在每个开关周期后的 能量迅速恢复到安全值,保证VD>VI.一般选择C4的电容量为3.3nF,电阻R4阻值为1~5Ω.

(3)光耦反馈电路的设计
         反馈回路的稳定性直接影响着开关电源的性能,光耦合器应提供给控制端足够的电流,光耦合器的电流传输比CRT应保值在100%~200%.电路中的R9用 来限制在最小CRT时的电流,R10和C10构成频率补偿网络,C14和R9能够使直流输入电压在允许范围内使环路获得最大的增益,R3和R12用来对输 出电压进行采样,R3和C7构成控制端的频率补偿电路.

(4)同步整流驱动电路
        同步整流驱动电路采用电容耦合技 术.使用无源的RC电路驱动MOSFET整流管,可以避免栅极过电压的情况.同步整流管Q2的驱动电路是由C3、R5、R7和D1组成的.在正半周,正电 经过C3和R5对Q2的栅极电容器充电,Q2迅速导通,R5用于限制栅极电流的幅度,R7为栅极下拉电阻器,在负半周时能够保证Q2可靠截止.稳压管D1 的作用是限制Q2的栅极电压. 同步整流管选择FAIRCHILD公司生产的NDS8410型功率MOSFET,在其内部漏-源极之间并联一个续流二极管,可防止关断时反向电动势所造成 的功率管损坏.

(5)其他外围电路设计
        电阻器R1用于设定欠电压/过电压值,输入电压增大值会降低最大占空比,使之UI从36V时的75%降低到UI为75V时的42%.为防止在输出瞬间过载时的磁芯饱和.设计时取R1=619kΩ,UUV=33.3V,UOV=86V.

电阻器R3为极限电流设定电阻,取R3的阻值为18.2kΩ,所设定的极限电流为:
I′LIMT=0.43ILIMT=0.43×5=2.15A.

(6)高频变压器
         由于电源输出功率较大,因此,高频变压器的漏感应尽量小,一般选用能够满足开关频率300kHz的MXO锰锌铁氧体材料.为便于绕制,磁芯形状可选用EI 型或EE型,变压器的初级和次级绕组应相间绕制.初级绕组用4股Φ0.35的漆包线绕11匝,次级12V输出用4股Φ0.45的漆包线绕9匝,初级电感选 500μH,最大漏感不超过0.8μH.

        测试及分析

        采用DPA426型集成控制电路和同步整流技术设计的上述开关电源模块,在输入直流电压为36~75V范围内、输出为12V/8A的情况下,测试的效率达到90%以上.

        设计电路应注意以下问题

         高频变压器是设计的关键,应注意选择合适的铁芯,由于实际电路的线圈匝数为整数,而理论计算会出现小数,故会出现误差.可通过调节铁芯的气隙大小改变其电 感量,适当改变原边与副边的匝数可调整输出电压的精度.为了减小高频变压器的漏感,应该在整个骨架内分层交错均匀地绕制线圈.为了保证在最小输入电压的情 况下也能获得额定输出电压,应尽量减小高频变压器的匝比.

        由于同步整流管采用耦合电容器驱动,故选择的电容器要保证驱动电压能够达到MOSFET的开启电压.输出端的LC滤波器中的电感器应采用低损耗磁环,且滤波电容器应足够大,其等效的串联电阻值(ESR)应尽量小,一般应选用低ESR的钽电容器.

        在设计印刷电路板时,DPA-Switch的S、F、C端的旁路电容器及箝位稳压管的正极必须单极接地,再经过足够宽的印制导线接输入端滤波电容器的负极,C端的旁路电容器应靠近S、C端,L、X端的引线要尽量短.

        小结
        
         由于DPA426型集成控制电路内部完全集成了PWM控制器、功率开关MOSFET及多种保护电路,所以采用其设计的开关电源具有成本低、外围线路简单、 体积小、效率及可靠性高等特点.另外,应用同步整流技术也降低了整流损耗,显著提高了开关电源的效率.因此,采用上述技术设计开关电源在中功率电子设备中 有广泛的应用前景.该电源已在某型飞机设备校验器中得到应用,实际工作证明:电源性能稳定,