一种反激同步整流 DC-DC 变换器
设计
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作者:华南理工大学自动化学院 任光 深圳华为技术有限公司电源研发部 李卫东 深圳信息职业技术学
院电子
2004年 4月 B版
摘 要: 对反激同步整流在低压小电流 DC-DC变换器中的应用进行了研究,介绍
了主电路工作原理,几种驱动方式及其优缺点,选择出适合于自驱动同步整流的反激
电路拓扑,并通过样机试验,验证了该电路的实用性。
关键词: 反激变换;同步整流;电路拓扑
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
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的矩形波,非常适
合同
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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 5
V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 50m
m/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。■
一种反激同步整流DC-DC变换器设计