一種優(yōu)化同步整流AC/DC變換器的應(yīng)用研究

黃占偉，周 娟，謝承旺

（1.江西省宜春市科學(xué)技術(shù)情報(bào)所，江西宜春336000；2.華東交通大學(xué)軟件學(xué)院，江西南昌330013）

隨著高頻開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電源設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求[1-3]。電源設(shè)計(jì)不僅要滿足電源負(fù)載設(shè)備的一般性參數(shù)要求，更重要的是要設(shè)計(jì)出高效率的電源產(chǎn)品，滿足節(jié)能，低碳，環(huán)保，低成本和高可靠性電源的要求。因此，效率設(shè)計(jì)是電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[4-5]。

在優(yōu)化效率設(shè)計(jì)過程中，主開關(guān)電路已經(jīng)大量采用了各種優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這一定程度上提高了電源效率，但是，如果二次側(cè)仍然采用普通二極管整流電路，將影響效率的提高，尤其是在數(shù)字化電源負(fù)載要求日益增加的情況下，低壓大電流輸出的應(yīng)用，將使普通整流電源效率很低。

用普通整流電路，其整流管是串聯(lián)在電源主輸出回路中的，其壓降一般為0.8 VDC（直流電壓）[6]。以132 W 3.3 V/40 A輸出的電源為例（參見4.2.5），整流電路功率損耗為51.751 W，可見普通整流的功率損失非常大。采用同步整流SR（synchronous rectifier），將極大地提高效率，尤其在低壓大電流輸出的情況下。在同步整流電路中，MOSFET關(guān)斷時(shí)，內(nèi)部的體二極管承受反向電壓，MOSFET導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通損耗主要由開關(guān)電流流過MOSFET的導(dǎo)通電阻Rdson決定。Rdson一般為2 mΩ左右，在同樣輸出電壓/電流的電源中，其功耗僅為1/5，同步整流功耗非常低。并且，可以采用并聯(lián)同步整流MOSFET的方式，降低等效通態(tài)電阻Rdson，降低MOSFET的通態(tài)功耗，進(jìn)一步提高同步整流效率。

從上世紀(jì)90年代末期同步整流技術(shù)誕生以來(lái)，同步整流技術(shù)經(jīng)歷了傳統(tǒng)的自驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)，外驅(qū)動(dòng)電壓型同步整流技術(shù)[7-10]，隨著節(jié)能減排壓力不斷增大，對(duì)電源產(chǎn)品效率的要求越來(lái)越高，當(dāng)前同步整流的前沿研究是零電流開關(guān)同步整流、零電壓開關(guān)同步整流的實(shí)現(xiàn)[11-13]。

1 同步整流控制IC主要功能

選用一款可以優(yōu)化同步整流效率的控制芯片NCP4303（框圖如圖1，引腳功能描述如表1），其最大特點(diǎn)是可以通過調(diào)整關(guān)斷閾值電壓來(lái)補(bǔ)償分布參數(shù)引起的MOSFET關(guān)斷電流采樣電壓變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)同步整流MOSFET精確零電流真值檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)真正的零電流關(guān)斷，因此，在低端電源Flyback應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了同步整流的效率優(yōu)化。該芯片也具有設(shè)定最小開通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間的功能，屏蔽開關(guān)瞬間振鈴對(duì)同步整流電路誤開通和誤關(guān)斷，從而消除了其引起效率下降的不利影響，確保同步整流電路穩(wěn)定和可靠工作。在低壓大電流的應(yīng)用中，還可用多并聯(lián)MOSFET的方式，進(jìn)一步減小同步整流管的通態(tài)電阻，提高效率。

圖1 NCP4303的框圖Fig.1 Diagram of NCP4303

圖中MINIMUM OFF TIME GENERETOR為最小關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生器；MINIMUM ON TIME GENERETOR為最小開通時(shí)間產(chǎn)生器；ZCD為零電流檢測(cè)；DETECTION CS and COMPENSATION為電流檢測(cè)與補(bǔ)償；DRIVER為驅(qū)動(dòng)器；TIMER為計(jì)時(shí)器；SlEEP MODE為休眠模式；VCC MANAGEMENT UVLO為控制電壓欠壓鎖定；OR為或門；AND為與門；R，S，Q均為RS觸發(fā)器。

表1 NCP4303的引腳功能描述Tab.1 Pin function description of NCP4303

2 同步整流應(yīng)用的原理分析

應(yīng)用NCP4303的反激同步整流電路原理如圖2，該電路為3.3 V/40A單輸出132 W的AC/DC電源。

NCP4303同步整流IC具有電流采樣電壓對(duì)應(yīng)關(guān)斷閾值調(diào)整功能，該功能是通過腳5整定適當(dāng)電阻來(lái)完成[7]。在電源電路設(shè)計(jì)中，以優(yōu)化效率為基礎(chǔ)，考慮產(chǎn)品具有良好的性能價(jià)格比，采用插件的MOSFET，以配合使用低價(jià)格的PCB，避免使用高價(jià)格的多層PCB和SMT封裝MOSFET。但是，這會(huì)在MOSFET的D極和S極會(huì)引入寄生參數(shù)，使零電流檢測(cè)（ZCD）出現(xiàn)很大的誤差。零電流檢測(cè)誤差將導(dǎo)致SR MOSFET在大電流狀態(tài)下被關(guān)斷，一旦出現(xiàn)這種情況，大電流將流過SR MOSFET的體二級(jí)管，使MOSFET功耗急劇上升，結(jié)果就是同步整流電路效率下降。在應(yīng)用電路圖2中，通過合理設(shè)計(jì)關(guān)斷閾值調(diào)整電阻Rshift，使SR MOSFET真正的零電流關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)高效率的同步整流；同時(shí)，根據(jù)實(shí)際寄生參數(shù)情況，可以采用納亨級(jí)電感串接在Mosfet的S極的方式來(lái)補(bǔ)償寄生參數(shù)的影響。

圖2 反激同步整流電路原理圖Fig.2 Circuit diagram of flyback synchronous rectification

圖中HV為直流高壓端；R為電阻；C為電容；TR為變壓器；D為二級(jí)管；Q為MOSFET；U為集成電路；Z為穩(wěn)壓管。

3 主要電路設(shè)計(jì)

3.1 反激變換器主拓?fù)湓O(shè)計(jì)

主要參數(shù)：輸出功率Po＝132W；輸出電壓Vo＝3.3V；輸出電路Io=40A；頻率f＝50kHz；周期交流電壓Vac=220V；最大交流電壓Vacmax＝1.2Vac；最小交流電壓Vacmin＝0.4Vac；繞組匝數(shù)比n=Np/Ns。

3.1.1 計(jì)算初級(jí)與次級(jí)繞組的繞組匝數(shù)比Np/Ns

在反激變換器設(shè)計(jì)中，繞組匝數(shù)比Np/Ns應(yīng)該首先確定，因?yàn)樵褦?shù)比決定了主開關(guān)管可承受的最大關(guān)斷電壓應(yīng)力[8-12]。在忽略漏感尖峰且設(shè)整流管壓降為1 V的條件下，直流輸入電壓最大時(shí)開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力為

考慮漏感尖峰和設(shè)計(jì)裕度，Vpk取值為Vds80%，選用Vds為600 V的MOSFET，Vds表示MOSFET的d級(jí)與s級(jí)之間的電壓。

即：Vds＝600V；Vpk=0.8；Vds=480V。

交流輸入為最大電壓Vacmax時(shí)，對(duì)應(yīng)直流輸入最大電壓Vdcmax，其值為

則可求出與初級(jí)(Np)與次級(jí)(Ns)的匝數(shù)比

3.1.2 計(jì)算最大導(dǎo)通時(shí)間

由伏秒平衡原理可知

式中：Vdc表示直流電壓，開關(guān)管Q1和整流管D1都取1 V壓降。設(shè)導(dǎo)通時(shí)間ton加恢復(fù)時(shí)間tr為開關(guān)周期T的80%，即

由（1）（2）式可得

3.1.3 計(jì)算初級(jí)電感Lp

輸入功率為

輸入功率也可表示為

式中：η為效率；Ro為輸出電阻。

由（3）（4）

3.1.4 計(jì)算初級(jí)電流峰值

初級(jí)峰值電流Ip

3.1.5 計(jì)算初級(jí)電流有效值

初級(jí)電流為三角波，其表達(dá)式為

則初級(jí)電流有效值Irms_pri為

3.1.6 計(jì)算次級(jí)電流有效值

次級(jí)電流也是三角波，且次級(jí)電流峰值為

次級(jí)電流恢復(fù)時(shí)間tr設(shè)為

則次級(jí)電流有效值Irms_sec

根據(jù)初級(jí)和次級(jí)電流有效值，即可確定各繞組的線徑。

3.1.7 變壓器初級(jí)繞組匝數(shù)設(shè)計(jì)

選用MPP材料磁芯，并且選電感常數(shù)為

變壓器初級(jí)匝數(shù)為

3.1.8 變壓器次級(jí)繞組匝數(shù)設(shè)計(jì)

變壓器次級(jí)匝數(shù)為

Ns必須為整數(shù)，取整為4，則：Np取為99。Np/Ns＝99/4=24.75其值約等于n的計(jì)算值24.80。

3.2 同步整流IC NCP4303的控制電路設(shè)計(jì)

3.2.1 同步整流MOSFET最小開通時(shí)間調(diào)整電阻Ron_min計(jì)算設(shè)最小開通時(shí)間ton_min=0.1T

則

式中：Ron_min就是圖2中的R1，取值為19.6 kΩ。

3.2.2 同步整流MOSFET最小關(guān)斷時(shí)間調(diào)整電阻Roff_min計(jì)算

設(shè)最小關(guān)斷時(shí)間toff_min=0.2T

則

式中：Roff_min就是圖2中的R2，取值為41.2 kΩ。

3.2.3 同步整流MOSFET關(guān)斷閾值調(diào)整電阻R_adj計(jì)算

預(yù)設(shè)關(guān)斷電壓Vadj_th=0.2V

則

式中：Rshift為電平移動(dòng)電阻，就是圖2中的R8，初步取值為2 kΩ，調(diào)整時(shí)，根據(jù)時(shí)間寄生參數(shù)產(chǎn)生的實(shí)際關(guān)斷閾值再適當(dāng)調(diào)整Roff_min的阻值。Ishift表示電平移動(dòng)電流。

3.2.4 同步整流電路的功率損耗計(jì)算

同步整流電路功率損耗Ploss_sec主要有3部分組成，就是MOSFET導(dǎo)通損耗Ploss_on，和MOSFET開關(guān)損耗Ploss_sw，以及MOSFET體二極管瞬態(tài)瞬態(tài)導(dǎo)通損耗Ploss_diode。

設(shè)Rdson=2.5×10-3；Coss=100×10-12；Vd=1；Id=Ipn。其中Coss表示MOSFET的輸出電容，Vd表示MOSFET寄生二極管壓降，Id表示MOSFET寄生二極管電流。

則

求得：同步整流電路功率損耗Ploss_sec為10.454 W。

3.2.5 比較同步整流與肖特基二極管整流的功耗差異

估算用肖特基二極管整流電路在同等條件下的功率損耗。

設(shè)肖特基二極管正向?qū)▔航礦d1＝0.8V，肖特基整流二極管的估算功耗Ploss_rect為：

求得：在同等條件下，肖特基整流二極管的功耗為51.731 W，是同步整流MOSFET功耗的5倍。因此，在低壓大電流應(yīng)用中，同步整流顯著降低功耗，提高了效率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于電源設(shè)計(jì)中采用了精確的電流檢測(cè)和可調(diào)整電流采樣電壓關(guān)斷閾值的方式，實(shí)現(xiàn)了同步整流管的零電流關(guān)斷，優(yōu)化并進(jìn)一步降低了同步整流的損耗，樣機(jī)實(shí)測(cè)效率為80.2%，普通整流的同功率3.3 V電源效率僅為66%，因此，優(yōu)化的同步整流電源，極大的提高了電源效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于大電流輸出電源，尤其是低壓大電流輸出電源，采用SR工作方式，并且采用SR MOSFET精確零電流真值檢測(cè)，在低端電源實(shí)現(xiàn)真正的零電流關(guān)斷，優(yōu)化了電源效率，使其成為低碳環(huán)保的高性價(jià)比電源。

[1]ABRAHAM I PRESSMAN.Switching Power Supply Design[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2005：96-99.

[2]普利斯曼，比得斯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].王志強(qiáng)，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010：15-17.

[3]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：51-52.

[4]劉鳳君.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：225-228.

[5]葉滿園.預(yù)測(cè)平均電流控制PFC Boost變換電路[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28（2）：24-28.

[6]宋輝淇，林維明.反激同步整流變換器的損耗模型分析[C]//西安：中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十屆年會(huì)，2006：78-80.

[7]ON SEMICONDUCTOR.The NCP4303A/B specification.Semiconductor Components Industries[EB/OL].（2010-04-02）[2012-01-11].http://www.onsemi.com/orderlit.

[8]田書欣，鐘莉娟，楊喜軍，等.高頻變壓器次級(jí)串聯(lián)開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2011，45（3）：100-105.

[9]崔彬，湯寧平.同步整流技術(shù)在降低BLDC控制器損耗中的應(yīng)用[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，39（3）：410-414.

[10]IONEL DAN JITARU.High efficiency flyback converter using synchronous rectification[C]//Dallas TX USA：In Proceedings of IEEE-APEC，2002：867-871.

[11]張望.基于同步整流技術(shù)的反激變換器分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011（12）：284-285.

[12]王芳.一種電流型驅(qū)動(dòng)同步AC/DC反激變流器的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（6）：304-306.

[13]姜鳳賢，王燕濤，馬軍輝.肖特基勢(shì)壘光電二極管原理及應(yīng)用[J].硅谷，2011（16）：122-123.