一種改進型的LLC拓撲的同步整流電路

高 蕊，鄧玉玖

（1.寶雞文理學院電子電氣工程學院，陜西寶雞721016；2.廣東艾默生網絡能源公司廣東深圳518057）

高效率是通信電源發展趨勢之一，為了提高50A模塊的效率，設計了G2 50A的LLC的同步整流電路[1-2]，雖然采用同步整流DC/DC電路的效率相比肖特基二極管整流高0.85%左右，但調試時發現存在同步整流MOS驅動輸出有時會一直為低，同步整流MOS管不能可靠關斷，驅動損耗也會越大的問題[3-4]。為了解決上述問題，對LLC的同步整流電路進行了優化設計[5-6]，通過互鎖電路的優化將驅動信號降低到兩個二極管壓降1 V左右，且更改后互鎖電路可正常工作；通過降低驅動低電平可以使驅動的低電平仍能降到0 V；通過驅動電路供電電源電壓的優化方法，此方法通過實驗證明驅動電路供電電源電壓Vcc取13.4 V時效率最高。

1 同步整流電路存在的問題

同步整流電路實際采用的電路圖如圖1所示，其中紅色方框內為與互感器電流檢測方案兼容的電路，當采用互感器檢測整流管電流時，需去除D317，同時將PCB上D317的1腳與4腳短接；采用MOS管D、S極間電壓進行電流檢測時需去除紅色方框內R380，R381和R423。小信號MOS管Q309及其驅動電阻是為防止兩路整流管同時導通而增加的互鎖電路。當另一路整流管導通時Q309也會開通，將這一路整流管的驅動信號強制拉低，從而防止兩路MOS管直通短路。

圖1 同步整流電路實際電路圖

由圖1可知，通過檢測MOS管D、S間電壓來控制MOS管的開通、關斷，能實現LLC電路的同步整流，采用同步整流DC/DC電路的效率相比肖特基二極管整流高0.85%左右。但調試時發現存在同步整流MOS驅動輸出有時會一直為低，同步整流MOS管不能可靠關斷，驅動損耗較大的問題[3]，針對同步電路存在的問題對電路進行了優化設計。

2 互鎖電路優化

在調試電路時發現同步整流MOS管驅動輸出有時會一直為低，通過分析原理圖發現這是互鎖電路引起[7-8]。由于驅動輸出的低電平約為1 V左右，而用作互鎖的MOS管FDN327的VGS（th）最小為0.4 V，因此在驅動輸出為低時FDN327仍可能開通，從而將另一路MOS管的驅動拉低。此外，FDN327門極電壓允許值為±8 V，而我們的驅動電壓可達14 V，因此FDN327不適合在此應用。可以將FDN327改為2N7002，其門極電壓允許范圍為±20 V，滿足我們的電壓要求，但常溫下VGS（th）最小值也僅為1 V，而且溫度越高，VGS（th）越低，仍有可能將同步整流管的驅動鎖死。因此不能將驅動輸出直接用作互鎖小信號MOS管的驅動信號，必須將驅動輸出電平降低后再用作互鎖MOS管的驅動信號，互鎖電路更改為如圖2所示電路。

圖2 互鎖電路的優化

其中D4，C4用來將驅動信號降低兩個二極管壓降（1 V左右），更改后互鎖電路可正常工作。

3 降低驅動低電平

原驅動電路輸出的低電平約為1 V，同步整流MOS管不能可靠關斷[9-10]，為了降低驅動輸出的低電平電壓，提高可靠性[11-12]，可在原驅動電路中加入圖3紅圈中所示的電平降低電路。

降低驅動輸出的低電平前后波形對比如圖4所示。

由圖4可以看出更改后驅動電壓的低電平降到了0 V，而更改電路前驅動電壓的低電平約為1 V，圖5是輸出電壓較低，開關頻率較高時驅動波形，可見驅動的低電平仍能降到0 V。

圖3 降低驅動低電平電路

圖4 54 V輸出時不同負載下驅動和電流波形

4 驅動電路供電電源電壓的優化

由于驅動電壓越高，MOS管導通時Rds（on）越小，導通電阻越小，但是驅動損耗也會越大，因此改變驅動電壓會影響整流電路的損耗[13-14]。為了尋找損耗最低時的驅動電壓，可以改變驅動電路供電電源的電壓，測試不同電壓下的電路效率，尋找效率最高的驅動電壓[15-16]。實驗結果如圖6所示：

從圖6可以看出驅動電路供電電源電壓Vcc取13.4 V時效率最高。

圖5 45 V輸出時不同負載下驅動和電流波形

圖6 不同驅動電壓下效率對比

5 與其他技術方案對比

改進型同步整流采用AP239加單穩態電路驅動SR MOS管，該方案是用兩級推挽來驅動同步整流MOS管，采用這種驅動方式時驅動電壓隨整流管電流而變，電流越小，驅動電壓越低。如果用AP239集成驅動芯片加單穩態電路代替兩級推挽作同步整流驅動，可使驅動電壓不隨整流管電流而變，且能使提前關斷。實驗電路圖如圖7所示，其中單穩態電路由555實現，基作用是防止驅動的二次開通。

圖7 采用AP239加單穩態電路時驅動電路圖

采用AP239加單穩態電路后效率與原同步整流電路效率對比如圖8所示，可見采用推挽驅動時效率比AP239驅動要高。

圖8 采用AP239驅動與推挽驅動時效率對比

6 結 論

文中針對在G2 50A的LLC拓撲的同步整流存在的問題，在此基礎上進行了優化設計，通過互鎖電路的優化將驅動信號降低兩個二極管壓降1 V左右，更改后互鎖電路可正常工作；降低驅動低電平可以使驅動的低電平仍能降到0 V，提高驅動輸出電平的可靠性；改變驅動電路供電電源的電壓，測試不同電壓下的電路效率，尋找效率最高的驅動電壓，實驗證明驅動電路供電電源電壓Vcc取13.4 V時效率最高。雖然采用集成驅動芯片AP239加單穩態電路代替推挽電路可以提前關斷MOS管，但電路效率不如現在采用的同步整流電路高。