一种反激式同步整流线路的研究

一种反激式同步整流线路的研究

王海清   肖鹏斌

海军装备部 730070 

摘要：本文介绍了一种反激式同步整流线路的设计方案，对电路损耗及改进措施进行了分析，并通过对线路的试验验证及实际产品测试，该线路能够有效提高单端反激式产品的转换效率。线路稳定，能够广泛应用于电源产品的设计中。

关键词：反激式；同步整流；转换效率

1引言

随着电子技术的不断发展，人们对电子设备的性能要求越来越高，与此同时，电子设备对配套电源的要求也越来越高，供电电源的小型化、高功率密度化尤为突出，使得我们对设计高效率电源产品的紧迫感越来越强。电源产品的损耗主要由3部分组成：即功率MOSFET的损耗，变压器的磁损和铁损，以及输出整流管的损耗。由于目前使用的整流管的导通压降普遍较大，导致输出整流管的损耗尤为突出。以致电源在低压大电流输出场合效率很难提升，在此背景下，寻求低压降的输出整流方案迫在眉睫，而采用低导通压降MOSFET来代替二级管整流成为一种解决方案。本文介绍一种应用于单端反激式线路的同步整流技术，能够有效降低线路损耗，提高产品的转换效率。

2同步整流线路的研究

2.1同步整流反激变换器工作原理

  基于同步整流技术的反激式线路如图1所示。线路的基本工作原理为：当MOS管T1导通时，整流MOS管T2关断，变压器B1储存能量，输出电容CO给负载RL供电；当MOS管T1截止时变压器绕组电压反向，T2导通充电整流管的作用，实现同步整流，变压器将储存的能量传递到次级，给负载供电，同时也给电容CO充电，进入下一个周期后重复上述过程。

图1

2.2同步整流损耗分析

同步整流线路的整流损耗主要为MOS管的损耗，它的损耗主要包括三个方面：导通损耗Pon、驱动损耗Pdr及开关损耗Psw。

（1）导通损耗分析

功率MOS管的导通损耗Pon是指当MOS管打开的时候，并且驱动和开关波形达到稳定时，功率MOS管处于导通状态时的损耗。Pon=Iin2×Ron /2,式中Iin为输入端的稳态电流，Ron为MOS管的导通电阻。由计算公式可知，MOS管的导通损耗仅与他的导通电阻有关，而MOS管的导通电阻仅有0.002Ω，因此与二极管整流相比，同步整流导通压降小，可大大减小整流管的导通损耗。

（2）驱动损耗分析

因为功率MOS管的每个级之间，均存在寄生电容，MOS管的开通与关断过程其实就是驱动电路对MOS管的寄生电容充放电的过程。由于驱动电路存在阻抗RG,阻抗在充放电的过程中产生的损耗为驱动损耗。驱动损耗Pdr=QG×VG×FS，式中QG为MOS管开通时所需的栅极驱动电荷，VG为驱动电压值，FS为控制电路的开关频率。

（3）开关损耗分析

功率MOS管由开通过度到关断，或者由关断过渡到开通阶段，不是瞬间完成的，而是需要一段时间来完成，在这个时间段里，漏源极的电压和电流有个相互交叠的过程，在此过程中MOS管产生的损耗为MOS管的开关损耗。Psw由一个周期里开通和关断两个过程损耗之和决定，而开关损耗是MOS管损耗的最主要的损耗之一，解决功率MOS管的开关损耗是本文要解决的主要问题。

2.3快速开关驱动电路的设计

在功率MOS管的开关损耗分析中已说明，在功率MOS管的开通和关断这时间段里，漏源极的电压和电流有个相互交叠的过程，从而引起MOS管的开关损耗，因此，研究一项能够加速MOS管导通和关断的技术显得很有必要，本文是通过设计MOS管的驱动电路，来加速MOS管导通和关断（如图2所示）。

图2

电路中三极管T3的放大倍数为β，功率MOS管关断时栅极电流被放大（1+β）Ig,则关断时间为,由此可见，使用该电路之后MOS管的关断时间将大幅缩短。可大幅减小MOS管的开关损耗，进而提高产品的转换效率。

3实验分析

实际设计一款3.3V/10A输出的电源模块，采样二极管整流电路时，产品的效率为82%，采样传统同步整流线路时，产品的效率为89%，而采样设计吸收电路的同步整流线路时，产品的效率高达93%，使产品的转换效率提升11个%点。经数据对比分析，该同步整流线路稳定，用在产品上性能良好。

4结束语

本文重点介绍了同步整流电路的工作原理，并分析了同步整流电路的损耗情况，提出了具体的改进方案，并通过试验得到了具体的验证结果，使得低压大电流输出电源有了良好的设计方案。

王海清  高级工程师  肖鹏斌   高级工程师