1 引言

　　近年來(lái)隨著電源技術(shù)的發(fā)展，同步整流技術(shù)正在低壓、大電流輸出的dc/dc變換器中迅速推廣應(yīng)用。在低壓、大電流輸出的情況下，輸出端整流管的損耗尤為突出。例如，對(duì)采用 1.5v、20a電源的筆記本電腦而言，此時(shí)超快恢復(fù)整流二極管的損耗已經(jīng)超過(guò)電源輸出功率的50%，即使采用低壓降的肖特基整流二極管，損耗也會(huì)達(dá)到輸 出功率的18%～40%。因此，傳統(tǒng)的二極管整流電路已經(jīng)成為提高低壓、大電流dc/dc變換器效率的瓶頸。

　　由于mosfet不能像二 極管那樣自動(dòng)截止反方向電流，因此同步整流器的驅(qū)動(dòng)是同步整流技術(shù)使用的一個(gè)關(guān)鍵。驅(qū)動(dòng)方式的選取不僅關(guān)系到變換器能否正常工作，更決定了變換器性能。按 照驅(qū)動(dòng)方法的不同，同步整流分為自驅(qū)型和外驅(qū)型，兩者的主要區(qū)別在于，自驅(qū)型同步整流管的驅(qū)動(dòng)電壓一般采用的是變壓器上或輔助繞組上的電壓，而外驅(qū)型同步 整流管的驅(qū)動(dòng)電壓是由外部同步整流驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生的。本文將分別討論兩種同步整流驅(qū)動(dòng)的方法，并闡述了同步整流中需要注意的問(wèn)題。

　　由于正 激變換器是最簡(jiǎn)單的隔離降壓式dc/dc變換器，其輸出端的lc濾波器非常適合輸出大電流，可有效抑制輸出電壓紋波。所以，正激變換器成為低電壓大電流功 率變換器的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。正激變換器必須采用磁復(fù)位電路，以確保變壓器勵(lì)磁磁通在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)已經(jīng)復(fù)位，常見(jiàn)的磁復(fù)位方法有：有源鉗位、rcd鉗 位、繞組復(fù)位、諧振復(fù)位等，如圖1所示。

　　rcd鉗位的方法雖然電路簡(jiǎn)單，但是它大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中，不利于效率的提高；有源鉗位雖然可以重復(fù)利用變壓器磁化能量和漏感能量，但是有 源鉗位系統(tǒng)的控制帶寬受到限制，動(dòng)態(tài)性能不好，并且它多用了一個(gè)鉗位開(kāi)關(guān)，增加了驅(qū)動(dòng)電路的難度和變換器的成本；而諧振復(fù)位由于諧振電壓比較高，因此對(duì)開(kāi) 關(guān)管的電壓應(yīng)力要求就更高；對(duì)于繞組復(fù)位的方法，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，磁復(fù)位時(shí)將能量回饋到輸入源中，并且對(duì)開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力要求并不高。

　　2 自驅(qū)同步整流

　　2.1 柵極電荷保持驅(qū)動(dòng)方法的基本原理

　　對(duì)于本文選用的 繞組復(fù)位正激變換器，其傳統(tǒng)傳統(tǒng)自驅(qū)型同步整流的方法如圖2所示，在磁復(fù)位結(jié)束后，變壓器的電壓將為零，并且會(huì)保持在零直到下一周期開(kāi)始，這樣續(xù)流管將沒(méi) 有電壓提供驅(qū)動(dòng)，電流會(huì)從其體二極管中流過(guò)，而其體二極管正向?qū)妷焊?，反向恢?fù)特性差，導(dǎo)通損耗非常大，這是傳統(tǒng)自驅(qū)同步整流的主要缺點(diǎn)，因此提出了 采用柵極電荷保持的同步整流方法，它的原理如圖3所示。

　　在t0時(shí)刻之前，輸入信號(hào)v1為0，開(kāi)關(guān)s1關(guān)斷，電容c的初始電壓為0。在t0時(shí)刻，輸入信號(hào)v1為正，通過(guò)二極管d對(duì)電容c充電；在t1時(shí) 刻，輸入信號(hào)v1為0，二極管d承受反壓截止，只要開(kāi)關(guān)s1保持關(guān)斷，電容c上的電荷得以保持，v2維持高電平；在t2時(shí)刻，開(kāi)關(guān)s1導(dǎo)通，電容c通過(guò) s1放電，v2變?yōu)?。如果c是同步整流管的柵極寄生電容，s1是一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)，那么在t1到t2這段時(shí)間內(nèi)，輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)v1降為0時(shí)，同步整流管的柵 極電壓仍可保持高電平。

　　2.2 柵極電荷保持驅(qū)動(dòng)正激變換器

　　利用柵極電荷保持的驅(qū)動(dòng)方法，傳統(tǒng)電壓驅(qū)動(dòng)同步整流器在變壓器電壓死區(qū)時(shí)間內(nèi)，續(xù)流管體二極管的導(dǎo)通問(wèn)題很容易解決，圖4給出了柵極電荷保持電壓驅(qū)動(dòng)正激變換器的原理圖和主要波形。

　　在t0到t1的時(shí)間內(nèi)，開(kāi)關(guān)管s1開(kāi)通，變壓器副邊電壓變?yōu)樯险仑?fù)并驅(qū)動(dòng)s2和s4使它們導(dǎo)通。s3的柵極電容通過(guò)s4放電，s3的柵極電壓降為0，s3關(guān)斷，輸出電流流進(jìn)s2。

　　在t1時(shí)刻主開(kāi)關(guān)管s1關(guān)斷，變壓器進(jìn)行磁復(fù)位，變壓器副邊電壓變?yōu)橄抡县?fù)，s2和s4關(guān)斷，s3的柵極電容由流經(jīng)d1的電流充電。s3柵極為高電平 導(dǎo)通，負(fù)載電流流經(jīng)s3。在t2時(shí)刻磁復(fù)位結(jié)束，變壓器副邊電壓變?yōu)?，由于二極管d1承受反壓截止，s4關(guān)斷，s3的柵極驅(qū)動(dòng)電壓保持不變，因此，即使 變壓器副邊電壓為0，s3仍然保持導(dǎo)通，繼續(xù)續(xù)流。s3的柵極電壓一直保持到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始，也是s4導(dǎo)通之時(shí)，這就解決了死區(qū)時(shí)間內(nèi)s3體二極管續(xù) 流導(dǎo)通的問(wèn)題。

　　對(duì)于這種柵極電荷保持的自驅(qū)型同步整流方法，有一個(gè)重要的過(guò)程就是，在續(xù)流管s3續(xù)流結(jié)束時(shí)要將其柵極電荷放掉，否則當(dāng)變壓器副邊電壓變?yōu)樯险?下負(fù)的時(shí)候，續(xù)流管會(huì)導(dǎo)通，有電流從漏極流向源極，并最終導(dǎo)致變壓器副邊，續(xù)流管和整流管形成一個(gè)回路，即副邊出現(xiàn)直通。而放掉續(xù)流管s3的柵極電荷必須 依賴于副邊電壓變?yōu)樯险仑?fù)，即使s4導(dǎo)通，將s3柵極電容上的電荷通過(guò)s4放掉，但是這里出現(xiàn)的情況是，當(dāng)變壓器副邊電壓為上正下負(fù)使s4導(dǎo)通的時(shí)候， 同時(shí)續(xù)流管s3的ds電壓也建立起來(lái)，如果s3的柵極電荷未放完，至少剩余的電荷仍能驅(qū)動(dòng)s3時(shí)，這時(shí)s3就會(huì)正向?qū)ǎ娏骶蜁?huì)由漏極通過(guò)s3流向源 極，并經(jīng)過(guò)整流管s2回到變壓器副邊，這樣變壓器副邊電壓就被短路，s4就無(wú)法再導(dǎo)通，s3上的柵極電荷就一直存在，直到這些電荷因?yàn)轵?qū)動(dòng)s3而消耗完， 并又會(huì)進(jìn)入下一次直通過(guò)程。如此惡性循環(huán)使變壓器副邊一直處于短路，即變換器副邊處于直通的狀態(tài)，情況嚴(yán)重的話會(huì)損壞整流管和續(xù)流管，甚至損壞變換器，因 此必須用一種方法，在下個(gè)周期變壓器副邊電壓為上正下負(fù)之前就將s3的柵極電荷放掉，以保證不出現(xiàn)直通的現(xiàn)象。

　　如圖5所示，對(duì)原來(lái)的柵極電荷保持電路進(jìn)行改進(jìn)，將原邊ic產(chǎn)生的占空比分為兩路，一路通過(guò)加延時(shí)驅(qū)動(dòng)主功率管，另一路通過(guò)驅(qū)動(dòng)變壓器隔離驅(qū)動(dòng)s4，因 為變壓器副邊電壓為上正下負(fù)的建立和原邊主功率管s1的開(kāi)通幾乎是同時(shí)的，那么采用圖中的方法后，當(dāng)在原邊開(kāi)關(guān)管開(kāi)通之前，即變壓器副邊電壓變?yōu)樯险仑?fù) 之前，s4就由原邊提供的一個(gè)驅(qū)動(dòng)而開(kāi)通，并使得續(xù)流管s3的柵極電荷通過(guò)s4釋放掉，提前使s3關(guān)斷，從而避免了直通的發(fā)生，該方法其他電路的接法與以 前提出的柵極電荷保持電路一樣，這樣，該電路即實(shí)現(xiàn)了柵極電荷保持的功能，又避免了變換器直通的發(fā)生。

　　如圖6所示，給出了改進(jìn)后電路各個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，由圖中可以看出，在s1開(kāi)通之前提前開(kāi)通s4，將s3的柵極電荷放掉，避免了變壓器副邊直通的發(fā)生。

　　3 外驅(qū)同步整流

　　對(duì)于采用變壓器副邊電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)自驅(qū)型的同步整流，即該電壓上正下負(fù)的時(shí)候驅(qū)動(dòng)整流管s2，該電壓下正上負(fù)的時(shí)候驅(qū)動(dòng)續(xù)流管s3，由于這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓采的 是同一個(gè)電壓，因此這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)不會(huì)存在交疊，不需要進(jìn)行處理。但是對(duì)于外驅(qū)型同步整流的方法，整流管和續(xù)流管的驅(qū)動(dòng)之間必須加入死區(qū)，使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)不出現(xiàn)交 疊的部分，進(jìn)而防止變換器副邊出現(xiàn)直通。本文采用的外驅(qū)同步整流的原理框圖如圖7（a）所示。

　　本文中首先將原邊ic輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)變壓器隔離傳輸?shù)礁边?，再利用同步整流?qū)動(dòng)芯片將這個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，在同步整流芯片內(nèi)部可簡(jiǎn)單看成是一個(gè) 固定的電容，通過(guò)在外部接電阻形成rc沖放電來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)，最終通過(guò)芯片處理同時(shí)延時(shí)了整流管s2以及續(xù)流管s3驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿，從而在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)之間加入 死區(qū)，如圖7（b）中波形所示。

　　同時(shí)，因?yàn)楦边吋恿艘粋€(gè)同步整流的芯片，而由于芯片本身工作的延時(shí)，使得輸出信號(hào)整體對(duì)輸入有一個(gè)延時(shí)，因此必須在原邊也加入一個(gè)電路來(lái)補(bǔ)償這個(gè)延時(shí)，較好的方法就是在原邊同樣加入一個(gè)同步整流芯片，這樣使得對(duì)驅(qū)動(dòng)的控制更加方便和容易，而且可以保證足夠的驅(qū)動(dòng)能力。

　　另外，可以通過(guò)對(duì)副邊兩個(gè)管子驅(qū)動(dòng)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)整流管和續(xù)流管的零電壓開(kāi)關(guān)：對(duì)于整流管來(lái)說(shuō)，當(dāng)變壓器副邊電壓變?yōu)樯险仑?fù)，這時(shí)如果整流管的驅(qū)動(dòng)還未 建立，那么電流就會(huì)先從整流管的體二極管流過(guò)，如果此時(shí)再給整流管提供驅(qū)動(dòng)，這時(shí)整流管的開(kāi)通即為零電壓開(kāi)通，但是考慮到效率的因素，必須保證電流在體二 極管中流過(guò)的時(shí)間很短；而在關(guān)斷的時(shí)候，可以在變壓器副邊電壓變?yōu)橄抡县?fù)之前提前關(guān)斷整流管，這樣就實(shí)現(xiàn)了整流管的零電壓關(guān)斷，同樣必須保證電流在體二 極管中流動(dòng)的時(shí)間很短。對(duì)于續(xù)流管采取同樣的方法，可以實(shí)現(xiàn)續(xù)流管的零電壓開(kāi)關(guān)。

　　4 同步整流輕載注意事項(xiàng)

　　對(duì)于副邊采用傳統(tǒng)二極管續(xù)流工作的正激變換器來(lái)說(shuō)，當(dāng)負(fù)載電流進(jìn)一步減小直至很輕時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)電感電流斷續(xù)的工作情況，如圖8所示。

　　當(dāng)副邊采用同步整流工作時(shí)，由于續(xù)流mosfet的雙向?qū)ǖ奶匦?，而電感電流要保持連續(xù)，因此在輕載的時(shí)候電感電流連續(xù)并能夠反向，如圖9所示，使得 續(xù)流管中出現(xiàn)從漏極流向源極的電流，并產(chǎn)生一個(gè)流出輸出正端流進(jìn)輸出負(fù)端的環(huán)流，這個(gè)環(huán)流會(huì)消耗環(huán)流能量，這個(gè)能量的大小和輸出濾波電感有關(guān)，輸出濾波電 感越小，環(huán)流就會(huì)越大，環(huán)流能量越大，損耗也越大。所以由于同步整流器不能從ccm模態(tài)自動(dòng)切換到dcm模態(tài)，輕載時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)流損耗，這種環(huán)流損 耗會(huì)降低變換器在輕載時(shí)的效率，當(dāng)負(fù)載輕載一定程度的時(shí)候，受環(huán)流的影響，變換器的效率會(huì)顯著下降，因此必須在效率出現(xiàn)顯著下降的時(shí)候?qū)⒆儞Q器從同步整流 的工作狀態(tài)切換到二極管整流的工作狀態(tài)，來(lái)保證輕載時(shí)變換器的效率不至于太低，一般這個(gè)效率的拐點(diǎn)出現(xiàn)在負(fù)載的10%～25%之間。

　　本文中采用的切輕載的方法是：在變換器的原邊檢測(cè)電流信號(hào)，設(shè)定在效率出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)的負(fù)載為切換的負(fù)載點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)到電流小于該設(shè)定值后由原邊輸出一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)傳遞到副邊并最終切斷同步整流信號(hào)，使變換器工作在二極管整流狀態(tài)。

　　此處，電流檢測(cè)是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，在電感電流沒(méi)有反向時(shí)，變壓器原邊的電流始終是流進(jìn)同名端留出異名端的，而在輕載的時(shí)候，由于電感電流反向， 變壓器副邊流過(guò)同名端進(jìn)異名端出的電流，原邊流過(guò)異名端進(jìn)同名端出的電流，因此在檢測(cè)電流的時(shí)候必須能夠檢測(cè)到雙向的電流。

　　檢測(cè)電流一 般有電阻和電流互感器等檢測(cè)方法，如果用電阻顯然可以檢測(cè)雙向的電流，但是考慮到損耗太大，因此電阻檢測(cè)不可行；如果用電流互感器檢測(cè)電流，那么電流互感 器副邊的接法就必須考慮到能夠檢測(cè)雙向的電流，因此如圖10所示，電流互感器副邊與電阻串聯(lián)的二極管必須用齊納二極管，如果副邊用普通的二極管，在電流互 感器流過(guò)反向電流的時(shí)候，由于二極管的阻斷作用，這個(gè)反向電流將不會(huì)被檢測(cè)到，換成齊納二極管后，當(dāng)電流互感器流過(guò)反向電流的時(shí)候，齊納二極管被擊穿并穩(wěn) 定在一個(gè)電壓值，電流互感器的副邊流過(guò)一個(gè)流進(jìn)同名端的電流，并且電流互感器利用齊納二極管上的壓降來(lái)進(jìn)行磁復(fù)位，因此就檢測(cè)到了原邊流過(guò)的反向電流。

　　另外，因?yàn)殡娏骰ジ衅鳈z測(cè)的是流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流信號(hào)，而由于變壓器磁復(fù)位的時(shí)候電流是從復(fù)位繞組的同名端流進(jìn)，異名端流出的，這個(gè)電流是不需要檢測(cè)的，因此，電流互感器要放在如圖9中所示的位置，正確檢測(cè)流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流信號(hào)。

　　5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本文采用外驅(qū)同步整流的方法，制作了一臺(tái)高壓輸入低壓輸出的電源模塊原理樣機(jī)，另外本文還采用了平面變壓器技術(shù)及表面貼片技術(shù)，與傳統(tǒng)變壓器相比，由 pcb繞組組成的平面變壓器，具有電流密度大、變壓器漏感小等優(yōu)點(diǎn)。平面變壓器技術(shù)不僅可以有效的提高模塊的功率密度，大幅改善由于漏感帶來(lái)的占空比丟失 問(wèn)題，還可以保證批量生產(chǎn)時(shí)良好的參數(shù)一致性，原理樣機(jī)如圖11所示，樣機(jī)的具體參數(shù)如下：

　　工作頻率：f=300khz；

　　輸入直流電壓：vin=28v（16v ~36v）；

　　輸出直流電壓：vo=5v；

　　輸出直流電流：io=10a；

　　模塊體積：57.9×61×12.7mm3

　　圖12給出了在額定輸入、滿載輸出時(shí)，原邊主管驅(qū)動(dòng)、副邊整流管及續(xù)流管驅(qū)動(dòng)和輸出電壓紋波，可以看出紋波小于100mv，整流管與續(xù)流管驅(qū)動(dòng)之間加入死區(qū)，并且整流管滯后于主管開(kāi)通、提前于主管關(guān)斷。

　　圖13分別給出了不同輸入電壓，負(fù)載從10%io~90%io（1a~9a）以及從90%io~10%io（9a~1a）跳變時(shí)，各路輸出電壓的紋波波 形，由圖中可以看出，負(fù)載跳變時(shí)，16v、28v和36v輸入時(shí)輸出電壓的脈動(dòng)分別為240mv、240mv和280mv，且恢復(fù)時(shí)間小于500μs。

　　圖14給出的分別是原理樣機(jī)在額定輸入不同負(fù)載輸出以及不同輸入電壓滿載輸出條件下的整機(jī)效率曲線，在額定輸入滿載輸出時(shí)整機(jī)的變換效率可達(dá)88%。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文指出了柵極電荷保持的自驅(qū)型同步整流方法存在的缺點(diǎn)，并且提出了一種新的控制策略；另外本文以單端正激電路為例，分析了在同步整流輕載時(shí)需要注意的 問(wèn)題；最后制作了一臺(tái)28v（16~36v）輸入，5v/10a輸出的模塊電源原理樣機(jī)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于二極管整流的單端正激變換 器，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略能夠有效地提高模塊電源的效率，同時(shí)具有體積小、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，滿足低壓輸入大電流輸出模塊電源的應(yīng)用需求。