高效小型化開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

2.2 同步整流技術(shù)
在低電壓大電流功率變換器中，若采用傳統(tǒng)的普通二極管或肖特基二極管整流由于其正向?qū)▔航荡螅ǖ蛪汗瓒O管正向壓降約0.7V，肖持基二極管正向壓降約 0.45V，新型低電壓肖特基二極管可達(dá)0.32V)，整流損耗成為變換器的主要損耗，無(wú)法滿足低電壓大電流開關(guān)電源高效率,小體積的需要。
MOSFET導(dǎo)通時(shí)的伏安特性為一線性電阻，稱為通態(tài)電阻RDS，低壓MOSFET新器件的通態(tài)電阻很小，如：IRL3102(20V，61A)、 IRL2203S(30V,116A)、IRL3803S(30V,100A)通態(tài)電阻分別為0.013Ω、0.007Ω和0.006Ω，它們?cè)谕ㄟ^(guò) 20A電流時(shí)，通態(tài)壓降不到0.3V。另外，功率MOSFET開關(guān)時(shí)間短,輸入阻抗高，這些特點(diǎn)使得MOSFET成為低電壓大電流功率變換器首選的整流器件。功率MOSFET是一種電壓型控制器件，它作為整流元件時(shí)，要求控制電壓與待整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱為同步整流電路。圖1為典型的降壓型“同步”開關(guān)變換器電路(當(dāng)電路中無(wú)SR時(shí)，為“普通”的降壓型開關(guān)變換器電路)。

3 電路的設(shè)計(jì)
所設(shè)計(jì)的電源參數(shù)如下：輸入電壓為50(1±10％)V,輸出電壓為3.3V,電流為20A,工作頻率為100kHz。
采用的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。由于有源鉗位采用的是FLYBACK型鉗位電路，它的鉗位電容電壓為：
Vc=Vin
所選用的控制IC芯片為UC3844，它的最大占空比為50％，所以電容上的電壓最大為Vin，電容耐壓為60V以上，只要選取足夠大即可保證電路能正常工作，本電路所選取的鉗位電容為47μF/100V。
有源鉗位管S1的驅(qū)動(dòng)必須跟變壓器原邊的地隔離開，而且S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須跟開關(guān)管S驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相，使用UCC3580可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)，可是這個(gè)芯片并不常見(jiàn)，因而這里選用UC3844跟IR2110組合。UC3844出來(lái)的控制信號(hào)用來(lái)作為IR2110的低端輸入，其反相信號(hào)作為IR2110的高端輸入，IR2110的高端驅(qū)動(dòng)通過(guò)內(nèi)部自舉電路來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離。這樣，我們就達(dá)到了驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)管的目的。
在輸出整流電路中，當(dāng)續(xù)流二極管（即SR的反并二極管）受正向電壓導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)及時(shí)驅(qū)動(dòng)SR導(dǎo)通，以減小壓降和損耗。但為了避免SR與SR1同時(shí)導(dǎo)通，造成短路事故，必須有“死區(qū)”時(shí)間，這時(shí)仍靠二極管D導(dǎo)通。SR的開關(guān)瞬時(shí)要與續(xù)流二極管的通斷瞬時(shí)密切配合，因此對(duì)開關(guān)速度要求很高。另外，從成本綜合考慮，選用IRL3102。
變壓器的設(shè)計(jì)跟一般正激式變換器變壓器設(shè)計(jì)差不多，只是要考慮同步整流管的驅(qū)動(dòng)。所選用的同步整流管的驅(qū)動(dòng)開通電壓為4V左右，電路輸出電壓為3.3V，輸出端相當(dāng)于一個(gè)降壓型電路，占空比最大為0.5，所以變壓器副邊電壓至少為6.6V。因?yàn)镸OSFET的柵－源間的硅氧化層耐壓有限，一旦被擊穿則永久損壞，所以實(shí)際上柵－源電壓最大值在20～30V之間，如電壓超過(guò)20V，應(yīng)該在柵極上接穩(wěn)壓管。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和波形分析
開關(guān)管S1和S的Uds波形如圖3所示，RefA為S管壓降波形，50V/div，RefB為S1管壓降波形，50V/div。電路此時(shí)工作在Vin= 60V左右，S1和S的開關(guān)應(yīng)力大概為120V，D=0.5左右。圖4為變壓器輸出電壓，也就是同步整流管SR1和SR的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，正的部分為SR的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，負(fù)的部分為SR1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)所得波形和分析的波形基本吻合，只是在開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，電壓有小尖峰，這是由電路的雜散參數(shù)引起的。該電路的工作效率經(jīng)過(guò)測(cè)量大約在90％左右，基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

圖3 開關(guān)管S和S1的uds波形

圖4 同步整流管的驅(qū)動(dòng)波形

5 結(jié)語(yǔ)
3.3V/20A的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)表明，有源逆變加同步整流電路用在低壓大電流的正激式電路設(shè)計(jì)中，不加PFC電路時(shí)，能夠取得很高的效率。