1、一種反激同步整流DC-DC變換器設計摘要：對反激同步整流在低壓小電流DC-DC變換器中的應用進行了研究，介紹了主電路工作原理，幾種驅動方式及其優缺點，選擇出適合于自驅動同步整流的反激電路拓撲，并通過樣機試驗，驗證了該電路的實用性。關鍵詞：反激變換；同步整流；電路拓撲引言低壓大電流DC-DC模塊電源一直占模塊電源市場需求的一半左右，對其相關技術的研究有著重要的應用價值。模塊電源的高效率是各廠家產品的亮點，也是業界追逐的重要目標之一。同步整流可有效減少整流損耗，與適當的電路拓撲結合，可得到低成本的高效率變換器。本文針對36V-75V輸入，3.3V/15A輸出的二次電源模塊，在分析同步整流技術的基礎

2、上，根據同步整流的特點，選擇出適合于自驅動同步整流的反激電路拓撲，進行了詳細的電路分析和試驗。反激同步整流基本的反激電路結構如圖1其工作原理：主MOSFETQ1導通時，進行電能儲存，這時可把變壓器看成一個電感，原邊繞組電流Ip上升斜率由dIp/dt=Vs/Lp決定，磁芯不飽和，則Ip線性增加；磁芯內的磁感應強度將從Br增加到工作峰值Bm；Q1關斷時，原邊電流將降到零，副邊整流管開通，感生電流將出現在副邊；按功率恒定原則，副邊安匝值與原邊安匝值相等。在穩態時，開關導通期間，變壓器內磁通增量應等于反激期間內的磁通變化量，即:=VsTon/Np=Vs'Toff/Ns從此式可見，如果磁通增量相

3、等的工作點穩定建立時，變壓器原邊繞組每匝的伏-秒值必然等于副邊每匝繞組的伏-秒值。反激變換器的拓撲實際就是一個BUCKBOOST組合的變換器拓撲的應用，而且如果副邊采用同步整流，電路總是工作于CCM的模式下，其電壓增益M=Vo/Vs=K-D/(1D)(K為原副邊匝數比)用PMOSFET和MOSFET替代圖1中的蕭特基二極管，可以實現同步整流的4種電路結構如圖2和圖3反激電路的開關電壓波形見圖4,是標準的矩形波，非常適合同步整流驅動。設計的關鍵點在于同步整流管的位置與驅動電路的結構配合、波形的整形限幅和死區控制。圖1基本反激電路結構圖圖2由NMOSFET構成的反激同步整流電路結構圖3由PMOSF

4、ET構成的反激同步整流電路結構圖4CH1整流管實驗波形/CH2主開關實驗波形圖5一種實際的外驅電路圖6增加驅動能力的外驅電路cz>+ViPi-Vm1cz>圖7由NMOSFET構成的反激同步整流自驅動電路結構圖8由PMOSFET構成的反激同步整流自驅動電路結構n>rViftrr>圖9反激同步整流半自驅電路結構M'VKChiJiO.ovvWi,Wtdhilobniv圖10、Vgs驅動波形，CH1同步整流管，CH2主開關管圖11、Vds波形，CH1同步整流管，CH2主開關管圖12轉換效率曲線反激同步整流驅動電路選擇同步整流管的驅動方式有三種：第一種是外加驅動控制電路，

5、優點是其驅動波形的質量高，調試方便。缺點是：電路復雜，成本高，在追求小型化和低成本的今天只有研究價值，基本沒有應用價值。圖5是簡單的外驅電路，R1D1用于調整死區。該電路的驅動能力較小，在同步整流管的Ciss較小時，可以使用。圖6是在圖5的基礎上增加副邊推挽驅動電路的結構，可以驅動Ciss較大的MOSFETo在輸出電壓低于5V時，需要增加驅動電路供電電源。第二種是自驅動同步整流。優點是直接由變壓器副邊繞組驅動或在主變壓器上加獨立驅動繞組，電路簡單、成本低和自適應驅動是主要優勢，在商業化產品中廣泛使用。缺點是電路調試的柔性較少，在寬輸入低壓范圍時，有些波形需要附加限幅整形電路才能滿足驅動要求。圖

6、7和圖8是四種反激同步整流的電路結構。由于Vgs的正向驅動都正比于輸出電壓，調節驅動繞組的匝數可以確定比例系數，且輸出電壓都是很穩定的，所以驅動電壓也很穩定。比較麻煩的是負向電壓可能會超標，需要在設計變壓器變比時考慮驅動負壓幅度。第三種是半自驅。其驅動波形的上升或下降沿，一個是由主變壓器提供的信號，另一個是獨立的外驅動電路提供的信號。圖9是針對自驅的負壓問題，用單獨的放電回路，提供同步整流管的關斷信號，避開了自驅動負壓放電的電壓超標問題。實驗結果根據圖7電路，設計了一臺15W樣機，輸入電壓36-75V,輸出5V/3A,體積50mm/25mm/8.5mm開關頻率300kHz,磁心選用國產FEY1

7、2.5,變壓器匝比3:1,磁心中柱氣隙0.2mm。同步整流管選擇的主要依據是：整流管導通電阻盡量小，電壓和電流不超過整流管的電壓和電流限值，這里選用Motorola公司的MTB75N05HD（Vds=50V,Rds=7mQ）同步整流管的驅動波形如圖10,為標準的矩形波。實測的效率曲線如下，低壓滿載時在87%以上。與蕭特基二極管整流的典型效率82%相比，模塊損耗減少了30%。結語理論分析和樣機驗證，證明反激同步整流的的效率在低壓輸出條件下有明顯的優勢，模塊本身的功耗比蕭特基整流低30%,可以提高30%的模塊功率密度，具有極大的推廣和應用價值。參考文獻1曹簫洪，石文，許建平?！巴秸骷夹g的新進展

8、”，電力電子技術，1999年，第二期2阮新波，嚴仰光，“直流開關電源的軟開關技術”，科學出版社，2000年、傳統二極管整流電路面臨的問題O低電壓工作有利于降低電路的整體功率消耗，但也給電近年來，電子技術的發展，使得電路的工作電壓越來越低、電流越來越大源設計提出了新的難題。開關電源的損耗主要由3部分組成：功率開關管的損耗，高頻變壓器的損耗，輸出端整流管的損耗J在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極管的導通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出快恢復二極管（FRD或超快恢復二極管（SRD可達1.01.2V,即使采用低壓降的肖特基二極管（SBD,也會產生大約0.6V的壓降，這就導致整流損耗增大，電源效

9、率降低。舉例說明，目前筆記本電腦普遍采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供電電壓，所消耗的電流可達20工此時超快恢復二極管的整流損耗已接近甚至超過電源輸出功率的50%即使采用肖特基二極管，整流管上的損耗也會達到（18%40%）P。，占電源總損耗的60%以上,因此，傳統的二極管整流電路已無法滿足實現低電壓、大電流開關電源高效率及小體積的需要，成為制約DCZDC變換器提高效率的瓶頸,、同步整流的基本電路結構同步整流是采用通態電阻極低的專用功率MOSFET來取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術它能大大提高DC/DC變換器的效率并且不存在由肖特基勢壘電壓而造成的死區電壓二功率MOSFET!于電壓控

10、制型器件，它在導通時的伏安特性呈線性關系二用功率MOSFE做整流器時，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。1、基本的變壓器抽頭方式雙端自激、隔離式降壓同步整流電路HI2、單端自激、隔離式降壓同步整流電路圖1單端降壓式同步整流器的基本原理圖基本原理如圖1所示，V及V2為功率MOSFET在次級電壓的正半周，Vi導通，V2關斷，V1起整流作用；在次級電壓的負半周，Vi關斷,V2導通，V2起到續流作用"同步整流電路的功率損耗主要包括Vi及M的導通損耗及柵極驅動損耗二當開關頻率低于IMHzH,導通損耗占主導地位；開關頻率高于1MHz時，以柵極驅動損耗為

11、主。3、半橋他激、倍流式同步整流電路圖2單端降壓式同步整流器的基本原理圖該電路的基本特點是：1）變壓器副邊只需一個繞組，與中間抽頭結構相比較，它的副邊繞組數只有中間抽頭結構的一半，所以損耗在副邊的功率相對較?。?）輸出有兩個濾波電感，兩個濾波電感上的電流相加后得到輸出負載電流，而這兩個電感上的電流紋波有相互抵消的作用，所以，最終得到了很小的輸出電流紋波；3）流過每個濾波電感的平均電流只有輸出電流的一半，與中間抽頭結構相比較，在輸出濾波電感上的損耗明顯減小了；4）較少的大電流連接線（highcurrentinter-connection）,在倍流整流拓撲中，它的副邊大電流連接線只有2路，而在中間

12、抽頭的拓撲中有3路；5）動態響應很好。它唯一的缺點就是需要兩個輸出濾波電感，在體積上相對要大些二但是，有一種叫集成磁（integratedmagnetic）的方法，可以將它的兩個輸出濾波電感和變壓器都集成到同一個磁芯內，這樣可以大大地減小變換器的體積,三、電路實例分析16.5W同步整流式DC/DC電源變換器的設計下面介紹一種正激、隔離式16.5WD。DC電源變換器,它采用DPSwitch系列單片開關式穩壓器DPA424R直流輸入電壓范圍是3675V,輸出電壓為3.3V,輸出電流為5A,輸出功率為16.5W2采用400kHz同步整流技術，大大降低了整流器的損耗上當直流輸入電壓為48V時，電源效率

13、n=87%二變換器具有完善的保護功能，包括過電壓/欠電壓保護，輸出過載保護，開環故障檢測，過熱保護，自動重啟動功能、能限制峰值電流和峰值電壓以避免輸出過沖。由DPA424R勾成的16.5W同步整流式DJDC電源變換器的電路如圖6所示j與分立元器件構成的電源變換器相比，可大大簡化電路設計:由C、Li和O構成輸入端的電磁干擾（EMI）濾波器，可濾除由電網引入的電磁干擾二R用來設定欠電壓值（UUv）及過電壓值（UOv）,取R=619kQ時，UUv=619kQX50A+2.35V=33.3V,UOv=619kQX135|iA+2.5V=86.0Vj當輸入電壓過高時R還能線性地減小最大占空比，防止磁飽和

14、二_為極限電流設定電阻，取R=11.1k。時，所設定的漏極極限電流I'limit=0.6Ilimit=0.6X2.50A=1.5Aj電路中的穩壓管VDi（SMBJ150對漏極電壓起箝位作用，能確保高頻變壓器磁復位。IpH2.5A7WraginioovX2Jb10RLRi619由0InFISkV_rt£MDSFET5M30DX2lOQIC.DFA424RVDsB54JCJSV.Li-nVDiB&V19WS47pFICi；PC357；6,3的3ClAluF_+j+j+M皿0AV19WS必15g324kGRINfVEteSMBJ150晶l.g1LM+Cii口*J?R5.10島,220QTHCh147n-68pFICiLM431Rii100k圖616.5W同步整流式DJDC電源變換器的電路該電源采用漏源通態電阻極低的SI4800型功率MOSFE微整流管，其最大漏源電壓LDs(max)=30V,最大柵源電壓&網=±20V,最大漏極電流為9A(25)或7A(70)，峰值漏極