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让同步整流器更环保

发布时间: 2012-08-07 11:38:30     来源: EDA中国

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为了达到 Climate Savers? Computing 及 80 PLUS?Platinum 高效率标准,电源供应设计人员已经在电源系统中将相移全桥式 DC/DC 搭配使用同步整流器 (FET) (图 1)。对于这些高效率应用而言,相移全桥式转换器是绝佳的选择,因为 DC/DC 功率级的主要 FET 可达到零电压切换。同步输出整流器 (QE 及 QF) 的效率高于二极体整流,因此更容易达到这些高效率标准。然而,在无负载的条件下,这些同步整流器所耗用的电源,会高于输出的标准整流二极体。若要符合无负载条件下的待机输入电源需求,关闭同步整流器,并使用同步 FET 的本体二极体,进行输出整流更为适合。本文将介绍可根据转换器输入电源,开关相移全桥式转换器同步整流器的简易电路。
 
图 1 显示含同步整流器 (QE 及 QF) 的峰值电流模式, DC/DC 相移全桥式转换器功能示意图。一般而言,FET QA 至 QF 是以闸极驱动器/缓冲级加以驱动,QA 至 QD 形成的 H 桥输入电流,则是以电流感应变压器 (CT) 网络加以测量。
 
 
图 1. 含同步整流器 (QE 及 QF) 的相移全桥式功能示意图。
 
如前所述,为达到零负载条件下的待机电源需求,关闭同步整流器为较适合的作法,因为驱动同步 FET 所耗用的电源,大于仅使用 FET 本体二极体进行标准整流所耗用的电源。在待机模式中,转换器的负载较轻,本体二极体耗用的电源相当少。以下等式可估算驱动一个同步整流器闸极所需的电源 (PQEg)。在此等式中,变数 QEg 是 FET 闸极电量,Vg 是 FET 最大闸极电压,变数 fs 是 FET 切换频率。在相移全桥式设计中,FET QE 的闸极电量为 115nC,并且以 100 kHz 的 12V 闸极驱动信号加以驱动,因此大约需要 138mW 的电源驱动一个 FET。在如此的条件下,驱动两个同步 FET (QE 及 QF) 所需的电源总计为 276 mW。如果同步整流器未关闭,驱动这些 FET 所需的电源,可能会补偿输入电源的 25% 至 50%。额外的电源消耗会使设计不符合输入电源需求。
 
        (等式 1)
 
       (等式 2)
 
图 2 中显示的电路可新增至图 1 中显示的系统,根据系统负载控制启用及停用 FET QE 与 QF 的同步整流器。
 
若要使此电路运作,需要同步闸极驱动器 (U1 及 U2) 产生反向及非反向输入。使用转换器电流感应电阻 (VRS) 的电流感应信号启用和停用 FET QE 及 QF,此电路即可运作。电阻 R1 及 C1 会形成低频率电极为 723 Hz 的低通滤波器,此滤波器所产生的DC 电压 (V1),可代表降压转换器电流感知电阻的平均电压大小。
 
在某些应用中,平均 CS 信号可低于 0.25 V,因此,电子元件 A1、R3 及 R2 的非反向放大器配置,可将平均电流感应信号 (V1) 放大为易于监控的可管理电流 (V2)。放大器 A2 及电子元件 R4、R5、R6 会形成迟滞比较器,根据放大的平均电流感应信号,启用和停用同步整流器。电阻 R7 及 R8 即形成分压器,以减少放大器 A2 的输出,有助于防范闸极驱动器 IC U1 及 U2 过度输入电压。
 
同步 FET 会根据迟滞比较器 (V4) 的输出予以启用及停用。比较器的输出升高时,闸极驱动器的输出会降低,以停止同步整流,并使用 FET 本体二极体进行标准整流。迟滞比较器输出 (V4) 降低时,相移全桥式转换器的闸极驱动信号 A 及 B 会控制 FET 闸极 QE 及 QF,而且转换器会使用同步整流。
 
 
 
图 2. 关闭同步整流器的简单电路
 
为说明如何设定此电路,可将此电路运用于如图 1 所示的 600W 相移全桥式转换器,其中的设计参数如下:
1.      ,输入电压
2.      ,最大输出功率
3.      ,输出电压
4.      ,峰间输出电感涟波电流
5.      ,电流感知变压器(CT)匝数比
6.      ,满载时的系统效率
 
此转换器的电流感应电阻 (RS) 为 48.7 Ohms,图 2 中的电路偏压 (VBIAS) 为 12V。电阻 R3 会决定电流感应放大器增益,选取此电阻后,V2 将在 0V 至 10V 的范围内运作。对于此设计,使用以下等式针对 R3 选择标准电阻值 11.5 kOhms 用于此范例。
 
,  (等式 3)
最大平均电流感应信号
 
         (等式 4)
 
 
电阻 R5 会设定近似的功率位准,以停用同步 FET。为防范同步整流器流入输出电感的逆向电流,必须关闭同步整流器,以免输出电感电流达到临界传导模式。对于此设计,输出电源为 60W 时即达到临界传导模式。
 
 ,达到临界传导模式的功率位准
 
计算电阻 R5 时,设定在达到临界传导模式的功率位准 (PC) 的1.5 倍时,关闭同步整流器,这是为了确保同步整流器在输出电感达到临界传导模式前即已关闭。在此范例中,同步整流器在输出电源约为 90W 时关闭。
 
    (等式 5)  
 
                                    (等式 6)                                       
 
针对 R5 选取标准电阻值 1.43 kOhms。
 
                               
 
电阻 R6 会设定转换器的迟滞,而且可能需要针对个别应用进行调整。在此范例中,迟滞比较器 A2 的迟滞约为 148 mV。视输出负载及效率而定,这大约达到 9W 的迟滞。
                                    (等式 7)         
 
为了评估电路的运作效率,因此建立 SPICE 模型进行评估。输出功率 (POUT) 从 0W 到 600W 不等,经过 40 毫秒后回复 0W。接着监控同步 FET QE (QEg) 及 QF (QFg) 节点 V2、V3 与闸极的输出功率 (POUT) 及电压。此评估显示同步整流器 QE 及 QF 在 99W 输出功率时启用,并且在 90W 输出功率时停用。波形请见图 3。
 
 
 
图 3. 同步闸极驱动控制
 
为了达到 80 PLUS Platinum 效率标准及待机功耗需求,TI 已研发全新 UCC28950 相移全桥式控制器,以 TI 推出的 UCC28950 为例,此款装置整合根据转换器负载启用及停用同步整流的电路。
 
同步整流使得电源供应设计人员能够达到更高效率标准,然而,若要达到零负载条件下的输入待机电源需求,可关闭同步整流器以节省电源。本文所介绍的电路能够根据电源转换器的负载启用及停用电源系统中的同步整流器,因此更有助于达到输入待机功耗需求。
关键字 : 环保 整流器 同步 
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