一種改進(jìn)型的LLC拓?fù)涞耐秸麟娐?/h1>
2018-08-25 08:14:40鄧玉玖
電子設(shè)計(jì)工程 2018年16期
高 蕊，鄧玉玖
（1.寶雞文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，陜西寶雞721016；2.廣東艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司廣東深圳518057）
高效率是通信電源發(fā)展趨勢(shì)之一，為了提高50A模塊的效率，設(shè)計(jì)了G2 50A的LLC的同步整流電路[1-2]，雖然采用同步整流DC/DC電路的效率相比肖特基二極管整流高0.85%左右，但調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)存在同步整流MOS驅(qū)動(dòng)輸出有時(shí)會(huì)一直為低，同步整流MOS管不能可靠關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)損耗也會(huì)越大的問題[3-4]。為了解決上述問題，對(duì)LLC的同步整流電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-6]，通過互鎖電路的優(yōu)化將驅(qū)動(dòng)信號(hào)降低到兩個(gè)二極管壓降1 V左右，且更改后互鎖電路可正常工作；通過降低驅(qū)動(dòng)低電平可以使驅(qū)動(dòng)的低電平仍能降到0 V；通過驅(qū)動(dòng)電路供電電源電壓的優(yōu)化方法，此方法通過實(shí)驗(yàn)證明驅(qū)動(dòng)電路供電電源電壓Vcc取13.4 V時(shí)效率最高。
1 同步整流電路存在的問題
同步整流電路實(shí)際采用的電路圖如圖1所示，其中紅色方框內(nèi)為與互感器電流檢測(cè)方案兼容的電路，當(dāng)采用互感器檢測(cè)整流管電流時(shí)，需去除D317，同時(shí)將PCB上D317的1腳與4腳短接；采用MOS管D、S極間電壓進(jìn)行電流檢測(cè)時(shí)需去除紅色方框內(nèi)R380，R381和R423。小信號(hào)MOS管Q309及其驅(qū)動(dòng)電阻是為防止兩路整流管同時(shí)導(dǎo)通而增加的互鎖電路。當(dāng)另一路整流管導(dǎo)通時(shí)Q309也會(huì)開通，將這一路整流管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)強(qiáng)制拉低，從而防止兩路MOS管直通短路。
圖1 同步整流電路實(shí)際電路圖
由圖1可知，通過檢測(cè)MOS管D、S間電壓來控制MOS管的開通、關(guān)斷，能實(shí)現(xiàn)LLC電路的同步整流，采用同步整流DC/DC電路的效率相比肖特基二極管整流高0.85%左右。但調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)存在同步整流MOS驅(qū)動(dòng)輸出有時(shí)會(huì)一直為低，同步整流MOS管不能可靠關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)損耗較大的問題[3]，針對(duì)同步電路存在的問題對(duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2 互鎖電路優(yōu)化
在調(diào)試電路時(shí)發(fā)現(xiàn)同步整流MOS管驅(qū)動(dòng)輸出有時(shí)會(huì)一直為低，通過分析原理圖發(fā)現(xiàn)這是互鎖電路引起[7-8]。由于驅(qū)動(dòng)輸出的低電平約為1 V左右，而用作互鎖的MOS管FDN327的VGS（th）最小為0.4 V，因此在驅(qū)動(dòng)輸出為低時(shí)FDN327仍可能開通，從而將另一路MOS管的驅(qū)動(dòng)拉低。此外，F(xiàn)DN327門極電壓允許值為±8 V，而我們的驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)14 V，因此FDN327不適合在此應(yīng)用?？梢詫DN327改為2N7002，其門極電壓允許范圍為±20 V，滿足我們的電壓要求，但常溫下VGS（th）最小值也僅為1 V，而且溫度越高，VGS（th）越低，仍有可能將同步整流管的驅(qū)動(dòng)鎖死。因此不能將驅(qū)動(dòng)輸出直接用作互鎖小信號(hào)MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，必須將驅(qū)動(dòng)輸出電平降低后再用作互鎖MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，互鎖電路更改為如圖2所示電路。
圖2 互鎖電路的優(yōu)化
其中D4，C4用來將驅(qū)動(dòng)信號(hào)降低兩個(gè)二極管壓降（1 V左右），更改后互鎖電路可正常工作。
3 降低驅(qū)動(dòng)低電平
原驅(qū)動(dòng)電路輸出的低電平約為1 V，同步整流MOS管不能可靠關(guān)斷[9-10]，為了降低驅(qū)動(dòng)輸出的低電平電壓，提高可靠性[11-12]，可在原驅(qū)動(dòng)電路中加入圖3紅圈中所示的電平降低電路。
降低驅(qū)動(dòng)輸出的低電平前后波形對(duì)比如圖4所示。
由圖4可以看出更改后驅(qū)動(dòng)電壓的低電平降到了0 V，而更改電路前驅(qū)動(dòng)電壓的低電平約為1 V，圖5是輸出電壓較低，開關(guān)頻率較高時(shí)驅(qū)動(dòng)波形，可見驅(qū)動(dòng)的低電平仍能降到0 V。
圖3 降低驅(qū)動(dòng)低電平電路
圖4 54 V輸出時(shí)不同負(fù)載下驅(qū)動(dòng)和電流波形
4 驅(qū)動(dòng)電路供電電源電壓的優(yōu)化
由于驅(qū)動(dòng)電壓越高，MOS管導(dǎo)通時(shí)Rds（on）越小，導(dǎo)通電阻越小，但是驅(qū)動(dòng)損耗也會(huì)越大，因此改變驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)影響整流電路的損耗[13-14]。為了尋找損耗最低時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓，可以改變驅(qū)動(dòng)電路供電電源的電壓，測(cè)試不同電壓下的電路效率，尋找效率最高的驅(qū)動(dòng)電壓[15-16]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示：
從圖6可以看出驅(qū)動(dòng)電路供電電源電壓Vcc取13.4 V時(shí)效率最高。
圖5 45 V輸出時(shí)不同負(fù)載下驅(qū)動(dòng)和電流波形
圖6 不同驅(qū)動(dòng)電壓下效率對(duì)比
5 與其他技術(shù)方案對(duì)比
改進(jìn)型同步整流采用AP239加單穩(wěn)態(tài)電路驅(qū)動(dòng)SR MOS管，該方案是用兩級(jí)推挽來驅(qū)動(dòng)同步整流MOS管，采用這種驅(qū)動(dòng)方式時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓隨整流管電流而變，電流越小，驅(qū)動(dòng)電壓越低。如果用AP239集成驅(qū)動(dòng)芯片加單穩(wěn)態(tài)電路代替兩級(jí)推挽作同步整流驅(qū)動(dòng)，可使驅(qū)動(dòng)電壓不隨整流管電流而變，且能使提前關(guān)斷。實(shí)驗(yàn)電路圖如圖7所示，其中單穩(wěn)態(tài)電路由555實(shí)現(xiàn)，基作用是防止驅(qū)動(dòng)的二次開通。
圖7 采用AP239加單穩(wěn)態(tài)電路時(shí)驅(qū)動(dòng)電路圖
采用AP239加單穩(wěn)態(tài)電路后效率與原同步整流電路效率對(duì)比如圖8所示，可見采用推挽驅(qū)動(dòng)時(shí)效率比AP239驅(qū)動(dòng)要高。
圖8 采用AP239驅(qū)動(dòng)與推挽驅(qū)動(dòng)時(shí)效率對(duì)比
6 結(jié) 論
文中針對(duì)在G2 50A的LLC拓?fù)涞耐秸鞔嬖诘膯栴}，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過互鎖電路的優(yōu)化將驅(qū)動(dòng)信號(hào)降低兩個(gè)二極管壓降1 V左右，更改后互鎖電路可正常工作；降低驅(qū)動(dòng)低電平可以使驅(qū)動(dòng)的低電平仍能降到0 V，提高驅(qū)動(dòng)輸出電平的可靠性；改變驅(qū)動(dòng)電路供電電源的電壓，測(cè)試不同電壓下的電路效率，尋找效率最高的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)驗(yàn)證明驅(qū)動(dòng)電路供電電源電壓Vcc取13.4 V時(shí)效率最高。雖然采用集成驅(qū)動(dòng)芯片AP239加單穩(wěn)態(tài)電路代替推挽電路可以提前關(guān)斷MOS管，但電路效率不如現(xiàn)在采用的同步整流電路高。
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1 同步整流電路存在的問題
同步整流電路實(shí)際采用的電路圖如圖1所示，其中紅色方框內(nèi)為與互感器電流檢測(cè)方案兼容的電路，當(dāng)采用互感器檢測(cè)整流管電流時(shí)，需去除D317，同時(shí)將PCB上D317的1腳與4腳短接；采用MOS管D、S極間電壓進(jìn)行電流檢測(cè)時(shí)需去除紅色方框內(nèi)R380，R381和R423。小信號(hào)MOS管Q309及其驅(qū)動(dòng)電阻是為防止兩路整流管同時(shí)導(dǎo)通而增加的互鎖電路。當(dāng)另一路整流管導(dǎo)通時(shí)Q309也會(huì)開通，將這一路整流管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)強(qiáng)制拉低，從而防止兩路MOS管直通短路。
圖1 同步整流電路實(shí)際電路圖
由圖1可知，通過檢測(cè)MOS管D、S間電壓來控制MOS管的開通、關(guān)斷，能實(shí)現(xiàn)LLC電路的同步整流，采用同步整流DC/DC電路的效率相比肖特基二極管整流高0.85%左右。但調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)存在同步整流MOS驅(qū)動(dòng)輸出有時(shí)會(huì)一直為低，同步整流MOS管不能可靠關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)損耗較大的問題[3]，針對(duì)同步電路存在的問題對(duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2 互鎖電路優(yōu)化
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圖2 互鎖電路的優(yōu)化
其中D4，C4用來將驅(qū)動(dòng)信號(hào)降低兩個(gè)二極管壓降（1 V左右），更改后互鎖電路可正常工作。
3 降低驅(qū)動(dòng)低電平
原驅(qū)動(dòng)電路輸出的低電平約為1 V，同步整流MOS管不能可靠關(guān)斷[9-10]，為了降低驅(qū)動(dòng)輸出的低電平電壓，提高可靠性[11-12]，可在原驅(qū)動(dòng)電路中加入圖3紅圈中所示的電平降低電路。
降低驅(qū)動(dòng)輸出的低電平前后波形對(duì)比如圖4所示。
由圖4可以看出更改后驅(qū)動(dòng)電壓的低電平降到了0 V，而更改電路前驅(qū)動(dòng)電壓的低電平約為1 V，圖5是輸出電壓較低，開關(guān)頻率較高時(shí)驅(qū)動(dòng)波形，可見驅(qū)動(dòng)的低電平仍能降到0 V。
圖3 降低驅(qū)動(dòng)低電平電路
圖4 54 V輸出時(shí)不同負(fù)載下驅(qū)動(dòng)和電流波形
4 驅(qū)動(dòng)電路供電電源電壓的優(yōu)化
由于驅(qū)動(dòng)電壓越高，MOS管導(dǎo)通時(shí)Rds（on）越小，導(dǎo)通電阻越小，但是驅(qū)動(dòng)損耗也會(huì)越大，因此改變驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)影響整流電路的損耗[13-14]。為了尋找損耗最低時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓，可以改變驅(qū)動(dòng)電路供電電源的電壓，測(cè)試不同電壓下的電路效率，尋找效率最高的驅(qū)動(dòng)電壓[15-16]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示：
從圖6可以看出驅(qū)動(dòng)電路供電電源電壓Vcc取13.4 V時(shí)效率最高。
圖5 45 V輸出時(shí)不同負(fù)載下驅(qū)動(dòng)和電流波形
圖6 不同驅(qū)動(dòng)電壓下效率對(duì)比
5 與其他技術(shù)方案對(duì)比
改進(jìn)型同步整流采用AP239加單穩(wěn)態(tài)電路驅(qū)動(dòng)SR MOS管，該方案是用兩級(jí)推挽來驅(qū)動(dòng)同步整流MOS管，采用這種驅(qū)動(dòng)方式時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓隨整流管電流而變，電流越小，驅(qū)動(dòng)電壓越低。如果用AP239集成驅(qū)動(dòng)芯片加單穩(wěn)態(tài)電路代替兩級(jí)推挽作同步整流驅(qū)動(dòng)，可使驅(qū)動(dòng)電壓不隨整流管電流而變，且能使提前關(guān)斷。實(shí)驗(yàn)電路圖如圖7所示，其中單穩(wěn)態(tài)電路由555實(shí)現(xiàn)，基作用是防止驅(qū)動(dòng)的二次開通。
圖7 采用AP239加單穩(wěn)態(tài)電路時(shí)驅(qū)動(dòng)電路圖
采用AP239加單穩(wěn)態(tài)電路后效率與原同步整流電路效率對(duì)比如圖8所示，可見采用推挽驅(qū)動(dòng)時(shí)效率比AP239驅(qū)動(dòng)要高。
圖8 采用AP239驅(qū)動(dòng)與推挽驅(qū)動(dòng)時(shí)效率對(duì)比
6 結(jié) 論
文中針對(duì)在G2 50A的LLC拓?fù)涞耐秸鞔嬖诘膯栴}，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過互鎖電路的優(yōu)化將驅(qū)動(dòng)信號(hào)降低兩個(gè)二極管壓降1 V左右，更改后互鎖電路可正常工作；降低驅(qū)動(dòng)低電平可以使驅(qū)動(dòng)的低電平仍能降到0 V，提高驅(qū)動(dòng)輸出電平的可靠性；改變驅(qū)動(dòng)電路供電電源的電壓，測(cè)試不同電壓下的電路效率，尋找效率最高的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)驗(yàn)證明驅(qū)動(dòng)電路供電電源電壓Vcc取13.4 V時(shí)效率最高。雖然采用集成驅(qū)動(dòng)芯片AP239加單穩(wěn)態(tài)電路代替推挽電路可以提前關(guān)斷MOS管，但電路效率不如現(xiàn)在采用的同步整流電路高。
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