一种反激同步整流DC-DC变换器设计

引言

　　低压大电流DC-DC模块电源一直占模块电源市场需求的一半左右，对其相关技术的研究有着重要的应用价值。模块电源的高效率是各厂家产品的亮点，也是业界追逐的重要目标之一。同步整流可有效减少整流损耗，与适当的电路拓扑结合，可得到低成本的高效率变换器。本文针对36V-75V输入，3.3V/15A输出的二次电源模块，在分析同步整流技术的基础上，根据同步整流的特点，选择出适合于自驱动同步整流的反激电路拓扑，进行了详细的电路分析和试验。

反激同步整流

　　基本的反激电路结构如图1。

　　其工作原理：主MOSFET Q1导通时，进行电能储存，这时可把变压器看成一个电感，原边绕组电流Ip上升斜率由dIp/dt=Vs/Lp决定，磁芯不饱和，则Ip 线性增加；磁芯内的磁感应强度将从Br增加到工作峰值Bm；Q1关断时，原边电流将降到零，副边整流管开通，感生电流将出现在副边；按功率恒定原则，副边安匝值与原边安匝值相等。

　　在稳态时，开关导通期间，变压器内磁通增量△Φ应等于反激期间内的磁通变化量，即：

　　　　　　　　　△Φ＝VsTon / Np＝Vs'Toff / Ns

　　从此式可见，如果磁通增量相等的工作点稳定建立时，变压器原边绕组每匝的伏－秒值必然等于副边每匝绕组的伏－秒值。

　　反激变换器的拓扑实际就是一个BUCK－BOOST组合的变换器拓扑的应用，而且如果副边采用同步整流，电路总是工作于CCM的模式下，其电压增益

　　　　M＝Vo/Vs＝K·D/(1－D)(K为原副边匝数比)

　　用PMOSFET和MOSFET替代图1中的萧特基二极管，可以实现同步整流的4种电路结构如图2和图3

　　反激电路的开关电压波形见图4，是标准的矩形波，非常适合同步整流驱动。设计的关键点在于同步整流管的位置与驱动电路的结构配合、波形的整形限幅和死区控制。

图1　基本反激电路结构图

图2　由NMOSFET构成的反激同步整流电路结构

图3　 由PMOSFET构成的反激同步整流电路结构

图4 CH1－整流管实验波形/ CH2－主开关实验波形

图5　 一种实际的外驱电路

图6　 增加驱动能力的外驱电路

图7　 由NMOSFET构成的反激同步整流自驱动电路结构

图8　 由PMOSFET构成的反激同步整流自驱动电路结构

图9　反激同步整流半自驱电路结构

图10、Vgs驱动波形，CH1同步整流管，CH2主开关管

图11、Vds波形，CH1同步整流管，CH2主开关管

图12　 转换效率曲线

反激同步整流驱动电路选择

　　同步整流管的驱动方式有三种：第一种是外加驱动控制电路，优点是其驱动波形的质量高，调试方便。缺点是：电路复杂，成本高，在追求小型化和低成本的今天只有研究价值，基本没有应用价值。图5是简单的外驱电路，R1D1用于调整死区。该电路的驱动能力较小，在同步整流管的Ciss较小时，可以使用。图6是在图5的基础上增加副边推挽驱动电路的结构，可以驱动Ciss较大的MOSFET。在输出电压低于5V时，需要增加驱动电路供电电源。
　　
　　第二种是自驱动同步整流。优点是直接由变压器副边绕组驱动或在主变压器上加独立驱动绕组，电路简单、成本低和自适应驱动是主要优势，在商业化产品中广泛使用。缺点是电路调试的柔性较少，在宽输入低压范围时，有些波形需要附加限幅整形电路才能满足驱动要求。图7和图8是四种反激同步整流的电路结构。由于Vgs的正向驱动都正比于输出电压，调节驱动绕组的匝数可以确定比例系数，且输出电压都是很稳定的，所以驱动电压也很稳定。比较麻烦的是负向电压可能会超标，需要在设计变压器变比时考虑驱动负压幅度。

　　第三种是半自驱。其驱动波形的上升或下降沿，一个是由主变压器提供的信号，另一个是独立的外驱动电路提供的信号。图9是针对自驱的负压问题，用单独的放电回路，提供同步整流管的关断信号，避开了自驱动负压放电的电压超标问题。

实验结果

　　根据图7电路，设计了一台15W样机，输入电压36－75V，输出5V/3A，体积50mm/25mm/8.5mm。开关频率300kHz，磁心选用国产FEY12.5，变压器匝比3:1，磁心中柱气隙0.2mm。

　　同步整流管选择的主要依据是：整流管导通电阻尽量小，电压和电流不超过整流管的电压和电流限值，这里选用Motorola公司的MTB75N05HD( Vds=50V，Rds=7mΩ)

　　同步整流管的驱动波形如图10，为标准的矩形波。

　　实测的效率曲线如下，低压满载时在87％以上。与萧特基二极管整流的典型效率82％相比，模块损耗减少了30％。

结语

　　理论分析和样机验证，证明反激同步整流的的效率在低压输出条件下有明显的优势，模块本身的功耗比萧特基整流低30％，可以提高30％的模块功率密度，具有极大的推广和应用价值。

参考文献

1 曹箫洪，石文，许建平。"同步整流技术的新进展"，电力电子技术，1999年，第二期

2 阮新波，严仰光，"直流开关电源的软开关技术"，科学出版社，2000年