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借用同步整流架构提高电源转换器效率

作者:时间:2013-09-22来源:网络收藏

  随着消费性电子的发展,各种供电电源如适配器所消耗的电能占全球能耗的比例急剧加大,成为不可忽视的耗能「大户」。以美国为例,每年适配器须要消耗电能3,000亿度,占整个国家每年用电总量的11%。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/228254.htm

  现今节能减碳声浪不断提高,各国政府法规对电源的要求也越来越严格。美国能源部(Department of Energy, DoE)针对External Power Supply公告新的要求NOPR(Notice of Proposed Rulemaking),将对电源供应厂与相关节能零件带来新的挑战,表1为针对效率的要求。详细资料可参考美国能源部官方网站。

  晶片加速取代二极管

  手持式电子产品如平板装置(Tablet Device)、智慧型手机等的风行,相对地亦开始要求电源充电器的尺寸必需短小轻薄,这些因素也对电源设计造成新的挑战。

  近年来电子技术的发展,使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作有利于降低电路的整体功率消耗,但也给电源设计提出新的难题。

  开关电源的损耗主要由三部分组成,分别为功率开关元件、变压器及输出端整流管的损耗。在低电压、大电流输出的情况下,整流二极体的导通压降较高,输出端整流管的损耗尤为突出。快恢復二极体(FRD)或超快恢復二极体(SRD)可达1.0或1.2伏特(V),即使採用低压降的萧特基二极体(SBD),也会产生大约0.5~0.6伏特的压降,这就导致整流损耗增大、电源效率降低。整流管上的损耗也会达到电源总损耗的60%以上。

  因此,传统的二极体整流电路已无法满足实现低电压、大电流开关电源高效率及小体积的需要,成为制约交流对直流(AC-DC)电源供应器提高效率的瓶颈。为能有效降低功耗及温升,近来使用技术以取代整流二极管蔚为风潮。

  是採用通态电阻极低的专用功率金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET),来取代整流二极体以降低整流损耗的一项新技术,它能提高开关电源供应器的效率。MOSFET属于电压控制型元件,它在导通时的伏安特性呈线性关係。以功率MOSFET做整流器时,要求闸极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能,故称之为同步整流。

  晶片商竞推同步整流晶片

  MOSFET耗损主要由内阻(Rdson)决定(切换速度《200kHz),萧特基二极体耗损则由顺向压降(Vf)来决定。当多颗MOSFET并联时内阻会成倍数下降,理论上并联无数颗MOSFET时,内阻会趋近于零几乎没有耗损。但萧特基二极体物理上存在最低屏蔽顺向压降约0.3伏特,不论并联多少颗萧特基二极体,最低都有此屏蔽压降,因此最低也会约有耗损Ploss=0.3×输出电流。

  基本单端自激、隔离式降压同步整流电路如图1所示。V1及V2为功率MOSFET,在次级电压的正半周,V1导通,V2关断,V1起整流作用;在次级电压的负半周,V1关断,V2导通,V2起到续流作用。同步整流电路功率耗损包括V1及V2导通损耗及闸极驱动损耗。当开关频率低于200kHz时,导通耗损占主导地位。

  借用同步整流架构提高电源转换器效率

  图1 单端降压式同步整流器的基本塬理图

  自激式的同步整流架构很简单,但是为能确保在使用时不发生失控电路烧毁或不稳定情形,周边须加入保护电路,因此近年来各厂商陆续推出二次侧同步整流控制IC。

  ZCD和预测式同步整流技术分庭抗礼

  自90年代末期同步整流技术诞生以来,开关电源技术得到极大的发展,採用IC控制技术的同步整流方案已为研发工程师普遍接受,现在的同步整流技术分为两大类,分别为零电流侦测(ZCD)及预测式(Prediction)的同步整流方案。

  不论使用何种方案,效率的提升主要决定于MOSFET的选择,由于开关电源供应器的使用频率,通常是在200kHz以下,因而MOSFET的内阻决定大部分的效率的提升。

  ZCD有恩智浦(NXP)、国际整流器(IR)和安森美(ON Semiconductor)等厂家投入,预测式则是擎力科技的专利。这两种方案各有优点,ZCD的周边零件较少、调整较易、适用于非连续导通模式 (DCM);而预测式的优点是可同时使用于DCM及连续导通模式(CCM)之间、不挑选MOSFET和死区(Dead Time)可调整。

  所谓ZCD就是当侦测到MOSFET汲极的电流为零时,IC输出一个高位準给MOSFET,由于是侦测电流,因而MOSFET的内阻变化会影响到电流,为了操作安全,各厂商均设定在-200?300毫伏特(mV)才做切换(图2)。

  借用同步整流架构提高电源转换器效率

  图2 ZCD电流侦测图示

  预测式是利用上一波形来预测下一波形,因此可以在MOSFET的Vds电压上升之前,提前截止Vgs,以避免MOSFET的交越。

  图3和图4分别为工作在CCM、DCM下的同步工作波形,其中上方波形为同步MOS的Vds波形,下方波形为SP6018输出波形。因为具有死区编程控制功能,能保证电源安全地工作在CCM模式,这也是业界唯一能出色应对连续模式的同步整流控制IC。

  借用同步整流架构提高电源转换器效率

  图3 连续导通模式

  借用同步整流架构提高电源转换器效率

  图4 非连续导通模式

  在绿能意识不断抬头下,开关电源供应器的效率要求也会愈来愈高,使用同步整流方案能将现有系统的效率提高2?4%并可降低温度10?20℃,尤其是在大电流、低电压输出时其效益更为明显。为能符合手提式产品对电源充电器要求短小轻薄的要求,CCM操作模式加上同步整流将成为主流。



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