提升电源转换效率的自定时电压检测同步MOSFET控制方案

标签：电源 谐振转换器 高压电源 直流电源 MOSFET

现代电子设备功能越来越多，设备功能的高功耗对环境的影响也越来越大。提高电源效率是降低功耗的方法之一。谐振拓扑具有较高效率，很多大功率消费电子产品和计算机都采用了这种电源拓扑，比如：液晶电视、等离子电视和笔记本电脑适配器适配器.恩智浦专业谐振控制器可以帮助设计人员打造出高效的谐振电源，不仅在提高能效方面下功夫外，还特别重视电源解决方案的可靠性。

在大屏幕电视中，要求在谐振电源内使用表面黏着MOSFET取代带散热器的输出二极管。不过，由于时序复杂性、成本和现有同步整流器解决方案欠佳的表现，迄今为止，采用这一替代方案的数量非常有限。本文将揭示自定时电压检测同步MOSFET控制方案如何提升电源转换效率。

1 谐振转换器的优点

谐振转换器由直流高压电源高压电源又名高压发生器，一般是指输出电压在五千伏特以上的电源，一般高压电源的输出电压可达几万伏，甚至高达几十万伏特或更高。(升压)供电，直流电源通常由前置PFC转换器部分产生。谐振回路(或LLC回路)由电容器电容器　　所谓电容器就是能够储存电荷的“容器”。只不过这种“容器”是一种特殊的物质——电荷，而且其所存储的正负电荷等量地分布于两块不直接导通的导体板上。至此，我们就可以描述电容器的基本结构：两块导体板(通常为金属板)中间隔以电介质，即构成电容器的基本模型。

Cr和带Lr(漏电感)和Lp(励磁电感)的变压器变压器　　变压器(Transformer)是利用互感原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心(磁芯)。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。变压器是变换电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压(或电流)。它由铁芯(或磁芯)和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

谐振转换器内的半导体开关具有软开关特性，它独立于负载并降低了峰值电流，因而有可能缩小电源变压器和散热器的体积。减少的电磁干扰(EMI)则是另一个优点。传统的硬开关转换器往往更容易受寄生电容和漏电感的影响。这种影响表现为高频振铃、大电流尖峰和开关损耗，以及不期望的电磁干扰。如果用在LCD电视内，由于液晶面板、电源和音效卡都紧邻彼此，所以电磁干扰污染会严重影响影像和声音品质。具有ZVS特性的谐振转换器则不会产生此类电磁干扰。在不同谐振拓扑中，对前端DC汇流排转换来说，LLC谐振转换器一直是最有吸引力的拓扑结构。图1即为该设计原理。

图1.带中心抽头次级绕组的谐振LLC转换器

使用电容与整合磁性变压器的磁感和漏感相结合的方法，在软开关部份建构了一个复杂的带降压升压(buck boost)转换特性的谐振槽。 LLC谐振转换器透过调节互补初级开关的开关频率来调整输入电压和输出负载。由于LCD电视电源需遵守IEC61000-3-2标准，所以在主输入桥式整流器后采用了主动功率因子校正(PFC)升压预调节器。

2　如何降低功率损耗

至关重要的是，因为即使高性能的萧特基二极管在流过大电流时都会产生较高的正向电压，所以谐振转换器的输出整流器是导通损耗的一个重要来源。因此，次级侧同步整流是公认的改善传统二极管整流效率的有效方法。有两种控制方法可用。

第一种方法是透过同步其闸极驱动讯号与初级侧MOSFET的闸极驱动来驱动同步MOSFET。采用高频变压器将初级侧MOSFET的闸极驱动讯号传输到电源变压器的次级侧。但对工作在宽负载范围的LLC谐振转换器来说，这种方法难以产生最佳化的次级侧闸极驱动讯号。这一时序上的不匹配，导致输出电容在不连续的整流器电流间歇期放电。由输出电容放电导致的输出和电源变压器之间的无功(reactive power)能流是使转换效率低下的原因。因此，该控制方案仅限于用在为负载变化不大的应用设计谐振转换器。

第二个控制方法是采用取自变压器次级侧的讯号驱动同步MOSFET。感测同步MOSFET电流的方法之一是借助一个电流检测变压器加上一个分离比较器。然后利用比较器的输出讯号再透过缓冲电晶体来驱动次级侧MOSFET。虽然可根据其目前电流状态开/关MOSFET，这种方法仍受限于很高的电路复杂性和比较器的时序延迟。最近，IC设计进步使同步整流出现了从传统的基于电流变压器的检测方法向无损耗漏极电压感知技术(如下图2所示)转移的迹象。

图2.带类比闸极驱动、用于谐振转换器漏极电压感测的同步控制器

除了将MOSFET次级侧的无功电流损耗降至最低外，这种新技术还进一步提高了转换效率，同时也由于不再需要电流检测变压器，加上拿掉了快速回应比较器，因而降低了系统成本。在力求缩小LCD电视体积趋势的推动下，谐振电源转换器的优点越来越受到电视电源工程师的关注，因为它们能支援电源半导体元件，使其运作在非常高的开关频率，因而有助于电源变压器和滤波电容的小型化。本文将讨论如何利用基于ZXGD3101同步控制器的自定时电压检测同步MOSFET控制原理，协助LCD电视等消费电子产品设计实现高电源转换效率。