一種高效率多輸出同步整流電路的設計

胡 旭，劉 靜

（南京電子技術研究所，江蘇 南京210039）

0 引 言

現代雷達集成電源模塊的發展趨勢是供電電壓越來越低，體積越來越小，功率等級不斷提高，功率密度成倍增長。隨之帶來的是降低損耗和散熱的問題，尤其是在低壓大電流輸出的領域，效率作為至關重要的指標被突顯出來。過去多采用二極管全波整流或半波整流的方式進行DC／DC變換，但在3 V～8 V低電壓輸出條件下，二極管正向壓降的影響不能夠再被忽視，即使采用肖特基硅二極管、快速恢復開關二極管等作為輸出整流二極管，其正向壓降均為0.4 V～0.6 V，大電流時的通態功耗很大。隨著功率變換器輸出電壓的降低，輸出電流的增加，整流損耗成為變換器的主要損耗。為了提高變換器的轉換效率，必須降低整流損耗。采用低導通電阻的MOSFET進行同步整流，是提高變換器效率的一種有效途徑。

1 混合型電路拓撲

現設計研制一臺高效率多輸出同步整流電源，采用全橋、半橋加倍流同步整流的電路拓撲結構。全橋倍流同步整流的電路拓撲如圖1所示，半橋倍流同步整流的電路拓撲如圖2所示。

圖1 全橋倍流同步整流電路

圖2 半橋倍流同步整流電路

其中，倍流同步整流與半波整流和全波整流相比，具有以下優點：

（1）電感電流和變壓器次級電流小，整流管導通損耗以及變壓器銅損較小；

（2）雙電感交錯濾波，可在電感值較小的前提下，減小電流紋波，并提高動態響應性能；

（3）大電流的電路相互連接數目最少，簡化了次級的布線，并減少了與布線有關的損耗；

（4）倍流整流的濾波電感可以被集成到主變壓器中，減少了元件數量和總體體積。

實驗結果證明，本電路拓撲提供了三路不同幅值并相互隔離的輸出電壓，并可以降低整流損耗，提高整流效率，變換器的轉換性能也得到了很大的改善。

2 同步整流管以及驅動方式的選擇

同步整流的原理是應用MOSFET管取代不控整流中的肖特基二極管，因此選擇同步整流管的基本要求是導通電阻Rds（on）盡量小，電壓和電流不超過整流管的電壓和電流限值。由于輸入電壓范圍是30 V～70 V，且主變壓器次級電壓也超過70 V，因此本設計選擇的同步整流管選取IR公司IRFS4010，其漏源極耐壓為100 V，導通電阻為3.3 mΩ。

同步整流管選定后，使用PWM控制芯片的外驅動方式對同步整流管提高驅動電壓。同步整流管的外驅動方式是指PWM信號經過適當的組合和延時后，作為同步整流管的驅動信號。同步整流管的驅動電壓從附加的外部驅動電路獲得，可以提供比較精確的控制時序。基于本驅動方式的諸多優勢，此處采取PWM控制芯片SG3525和IXDN414驅動的方式。由于此電源為3路獨立隔離輸出，電路在具備3路隔離輔助電源的同時各路驅動信號也需要與主電路隔離，此處采用驅動變壓器隔離的方式。同步整流管IRFS4010的驅動特性如圖3所示。

圖3 IRFS4010的驅動特性

從圖3可以看出，在漏源電流相同的情況下，驅動電壓越高，漏源極上電壓降越小。也就是說驅動電壓越高，同步整流管等效的導通電阻越小。同步整流管IRFS4010最大驅動電壓為±20 V，為了保證不超過驅動電壓最大值，平衡效率與風險，將驅動電壓設計在17 V左右。這樣可以明顯減小同步整流電路的導通損耗，提高整流電路效率，同時在柵源極兩端增加20 V穩壓管，保證整流管不會因為驅動電壓過高而被擊穿。

同步整流管的驅動時序關系如圖4所示。

圖4 同步整流管的驅動時序關系

從圖4所示的驅動時序關系圖可以看出，當變壓器同名端為正時，同步整流管VS5、VS9導通，向負載端提供電能；當變壓器同名端為負時，同步整流管VS6、VS10導通，向負載端提供電能。負載電流通過同步整流管流過，導通損耗小。同時，在時間段t1～t2之間，同步整流管的提前導通保證了負載電流從MOS管漏源極間流過，而不通過其體二極管；在t3～t4之間，同步整流管的延時關斷同樣提供了MOS管漏源極間的續流通道，降低了流過MOS管體二極管造成的導通電流損耗。

為獲得如圖4所示時序關系的驅動波形，在PWM芯片SG3525和驅動芯片IXDN414后端接上兩個次級的激勵變壓器。并將同步整流管端的驅動信號反接，以獲得反相互補的激勵波形。

3 電路參數的設計和實驗結果

3.1 電路參數

這種多輸出同步整流電路輸入電壓為48 V（30 V～70 V），三路輸出電壓分別為8 V／32 A，5 V／8 A，－5 V／2 A。單路8 V／32 A采用全橋倍流同步整流電路，如圖1所示；單路5 V／8 A采用半橋倍流同步整流電路，單路－5 V／2 A采用半橋全波整流電路，如圖2所示，三路輸出電壓相互隔離。全橋電路輸出濾波電感取2×2 mH，半橋電路輸出濾波電感取2×4 mH，開關頻率為100 kHz。元器件清單如下：

從實驗波形可以看出，在能量從原邊傳送到負載端的過程中，驅動電壓保證了同步整流管的適時導通，使負載電流不從MOS管體二極管流過，降低了整流管的導通壓降，提高了整機效率。

3.2 實驗結果

實驗中對同步整流電路在輕載（20%負載）、半載、滿載狀態下的電路指標進行了測試，輸入電壓在30 V～70 V條件下的參數如表1所示。

表1 實驗結果

由表1可以看出，當輸入電壓為48V時，該電路的轉換效率最高可達89%，輸入電壓在48V條件下完整的效率曲線如圖5所示。

圖5 效率曲線

4 結 論

本文利用同步整流技術，使用全橋倍流同步整流和半橋倍流同步整流拓撲，并采用PWM控制芯片加激勵變壓器的驅動形式，設計了一臺48 V（30 V～70 V）輸入，三路隔離（8 V／32 A、5 V／8 A、－5 V／2 A）輸出的混合型DC／DC變換器，該變換器的最高效率達到89%。理論分析和實驗結果證明，該混合型拓撲和驅動形式解決了低壓大電流條件下變換器效率低的問題，并能夠提供多路隔離的輸出電壓，降低了整流損耗，提高了整流效率。

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