原创让同步整流器更环保

 2011-11-30 10:24  1361 14 14 分类: MCU/ 嵌入式

作者：Michael O'Loughlin，德州仪器应用工程师

为了达到 Climate Savers® Computing 及 80 PLUS®Platinum 高效率标准，电源供应设计人员已经在电源系统中将相移全桥式 DC/DC 搭配使用同步整流器 (FET) (图 1)。对于这些高效率应用而言，相移全桥式转换器是绝佳的选择，因为 DC/DC 功率级的主要 FET 可达到零电压切换。同步输出整流器 (QE 及 QF) 的效率高于二极体整流，因此更容易达到这些高效率标准。然而，在无负载的条件下，这些同步整流器所耗用的电源，会高于输出的标准整流二极体。若要符合无负载条件下的待机输入电源需求，关闭同步整流器，并使用同步 FET 的本体二极体，进行输出整流更为适合。本文将介绍可根据转换器输入电源，开关相移全桥式转换器同步整流器的简易电路。

图 1 显示含同步整流器 (QE 及 QF) 的峰值电流模式， DC/DC 相移全桥式转换器功能示意图。一般而言，FET QA 至 QF 是以闸极驱动器/缓冲级加以驱动，QA 至 QD 形成的 H 桥输入电流，则是以电流感应变压器 (CT) 网络加以测量。

图 1. 含同步整流器 (QE 及 QF) 的相移全桥式功能示意图。

如前所述，为达到零负载条件下的待机电源需求，关闭同步整流器为较适合的作法，因为驱动同步 FET 所耗用的电源，大于仅使用 FET 本体二极体进行标准整流所耗用的电源。在待机模式中，转换器的负载较轻，本体二极体耗用的电源相当少。以下等式可估算驱动一个同步整流器闸极所需的电源 (PQEg)。在此等式中，变数 QEg 是 FET 闸极电量，Vg 是 FET 最大闸极电压，变数 fs 是 FET 切换频率。在相移全桥式设计中，FET QE 的闸极电量为 115nC，并且以 100 kHz 的 12V 闸极驱动信号加以驱动，因此大约需要 138mW 的电源驱动一个 FET。在如此的条件下，驱动两个同步 FET (QE 及 QF) 所需的电源总计为 276 mW。如果同步整流器未关闭，驱动这些 FET 所需的电源，可能会补偿输入电源的 25% 至 50%。额外的电源消耗会使设计不符合输入电源需求。

(等式 1)

(等式 2)

图 2 中显示的电路可新增至图 1 中显示的系统，根据系统负载控制启用及停用 FET QE 与 QF 的同步整流器。

若要使此电路运作，需要同步闸极驱动器 (U1 及 U2) 产生反向及非反向输入。使用转换器电流感应电阻 (VRS) 的电流感应信号启用和停用 FET QE 及 QF，此电路即可运作。电阻 R1 及 C1 会形成低频率电极为 723 Hz 的低通滤波器，此滤波器所产生的DC 电压 (V1)，可代表降压转换器电流感知电阻的平均电压大小。

在某些应用中，平均 CS 信号可低于 0.25 V，因此，电子元件 A1、R3 及 R2 的非反向放大器配置，可将平均电流感应信号 (V1) 放大为易于监控的可管理电流 (V2)。放大器 A2 及电子元件 R4、R5、R6 会形成迟滞比较器，根据放大的平均电流感应信号，启用和停用同步整流器。电阻 R7 及 R8 即形成分压器，以减少放大器 A2 的输出，有助于防范闸极驱动器 IC U1 及 U2 过度输入电压。

同步 FET 会根据迟滞比较器 (V4) 的输出予以启用及停用。比较器的输出升高时，闸极驱动器的输出会降低，以停止同步整流，并使用 FET 本体二极体进行标准整流。迟滞比较器输出 (V4) 降低时，相移全桥式转换器的闸极驱动信号 A 及 B 会控制 FET 闸极 QE 及 QF，而且转换器会使用同步整流。

图 2. 关闭同步整流器的简单电路

为说明如何设定此电路，可将此电路运用于如图 1 所示的 600W 相移全桥式转换器，其中的设计参数如下：

，输入电压

，最大输出功率

，输出电压

，峰间输出电感涟波电流

，电流感知变压器（CT）匝数比

，满载时的系统效率

此转换器的电流感应电阻 (RS) 为 48.7 Ohms，图 2 中的电路偏压 (VBIAS) 为 12V。电阻 R3 会决定电流感应放大器增益，选取此电阻后，V2 将在 0V 至 10V 的范围内运作。对于此设计，使用以下等式针对 R3 选择标准电阻值 11.5 kOhms 用于此范例。

,(等式 3)

最大平均电流感应信号

(等式 4)

电阻 R5 会设定近似的功率位准，以停用同步 FET。为防范同步整流器流入输出电感的逆向电流，必须关闭同步整流器，以免输出电感电流达到临界传导模式。对于此设计，输出电源为 60W 时即达到临界传导模式。

，达到临界传导模式的功率位准

计算电阻 R5 时，设定在达到临界传导模式的功率位准 (PC) 的1.5 倍时，关闭同步整流器，这是为了确保同步整流器在输出电感达到临界传导模式前即已关闭。在此范例中，同步整流器在输出电源约为 90W 时关闭。

(等式 5)

(等式6)

针对 R5 选取标准电阻值 1.43 kOhms。

电阻 R6 会设定转换器的迟滞，而且可能需要针对个别应用进行调整。在此范例中，迟滞比较器 A2 的迟滞约为 148 mV。视输出负载及效率而定，这大约达到 9W 的迟滞。

(等式 7)

为了评估电路的运作效率，因此建立 SPICE 模型进行评估。输出功率 (POUT) 从 0W 到 600W 不等，经过 40 毫秒后回复 0W。接着监控同步 FET QE (QEg) 及 QF (QFg) 节点 V2、V3 与闸极的输出功率 (POUT) 及电压。此评估显示同步整流器 QE 及 QF 在 99W 输出功率时启用，并且在 90W 输出功率时停用。波形请见图 3。