同步整流技术DC-DC模块电源

1、 概述

DC-DC模块电源为了满足小型化的要求，一般会选择简单可靠的功率级电路，其中，谐振复位正激＋同步整流电路（图1）在DC-DC模块电源中应用比较广泛，下面将以此电路为例进行分析。

2、 基本同步整流电路

如图1所示电路，其副边为基本同步整流电路，关键波形见图2。当原边主开关管Q1开通时，通过变压器T1向副边传输能量，副边工作在整流状态，此时SR1的Vgs电压为变压器副边绕组电压，极性为正，SR2的Vgs电压为零，因而SR1导通，SR2关断；当原边主开关管Q1关断时，变压器T1原边绕组的励磁电流和负载电流流经C1，C1上的电压开始上升，当C1电压升至Vin时，原边绕组中的负载电流下降为0，在励磁电流的作用下原边励磁电感Lm与电容C1进行谐振，谐振电压Vr为正弦波，谐振周期Tr=2π√LmC2，谐振电压Vr加到变压器T1的原边绕组上使T1磁复位，同时，副边也进入到续流状态，此时SR1的Vgs电压为0，SR2的Vgs电压为变压器副边绕组电压，电压波形为正弦波，极性为正，因而SR1关断，SR2导通；这样的工作状态会周期性重复

3、基本同步整流电路的问题

3.1、续流管的驱动

如图2中SR2的Vgs波形，由于驱动SR2的是正弦波谐振电压，受主开关的占空比和谐振参数的影响，电压波形变化较大，驱动效果也不理想，模块效率较低。

3.2、输出并联

将两个采用基本同步整流电路的DC-DC模块电源输出并联将会产生很多问题，其中的一个严重问题就是“电流反灌”。下面通过一个简单的例子说明“电流反灌”现象。如图3所示，当模块2正常工作而模块1被关断时，模块2的输出电压VOUT会通过模块1内部的L、T1的副边绕组分别加到SR1、SR2的G、S之间，SR1、SR2会因此导通并流过较大的电流，同时，模块2的输出电压VOUT会被拉低。对于模块1来说，此时的电流是反向流入模块的，称之为“电流反灌”现象。在N个模块并联的系统中，设每个模块的最大输出电流为Io，当其中一个模块被关断时，流入这个模块的反灌电流将会达到(N-1)×IO，这将会带来严重的后果。

 4、改进的同步整流电路

4.1、电路描述

改进的同步整流电路如图4，副边同步整流管SR1移到上端，SR1、SR2采用共漏极接法，从变压器抽取N1、N2绕组，N1绕组用于驱动SR1，N2绕组经半波整流用于驱动SR2，原边同步信号SYNC经隔离，驱动小功率MOSFET S1，用于关断SR2。其中的隔离驱动电路可以采用类似图5的典型电路。关键信号的时序关系如图6所示。

4.2、续流管的驱动

改进的同步整流电路通过半波整流的方式驱动SR2，驱动信号通过二极管D1给SR2的G、S间的等效电容Ci充电，由于MOSFET门极的输入阻抗很大，Vgs将保持驱动信号的峰值不变，直到SYNC信号导通S1，将SR2的G、S间的电荷放掉。因而SR2的Vgs波形接近方波，并能维持到续流过程结束（见图6中SR2的Vgs波形）。改进后的效率会更高。

4.3、输出并联

改进后的同步整流电路能够支持多个模块输出并联。如图7所示，由于采用单独的绕组N1、N2驱动同步整流管SR1、SR2，同步整流管的门极与输出端VOUT没有直接联系，当模块1 关机后，SR1、SR2的驱动电压均为0，相当于二极管特性。在其它工作状态，如启动、待机、动态负载等情况下，并联模块也能正常工作。

5、应用结果

改进的同步整流技术应用在48V输入，5V@20A输出的DC-DC模块电源上，效率可达到90%以上。图8显示了正常工作期间同步整流管的驱动波形，其中通道1是续流管的驱动波形，通道2是整流管的驱动波形。可见两管的驱动波形既保证了适当的死区以避免直通，又能使通过二极管导通的时间尽量缩短，因而同步整流的效率很高。图9显示了两个模块并联，当其中一个模块关机时，在输出并联母线上的电压波形，其中通道1是模块1的关机信号，通道2是输出并联母线上的电压波形。可见当其中一个模块关机时，输出并联母线上的电压不受影响。图10显示了单个模块在输出轻载和空载情况下关机的输出端电压波形，可见在关机后模块的输出电压平缓下降，不会出现振荡，其特性与肖特基整流的模块电源基本一致。

 

6、总结

本文针对基本同步整流技术在应用中存在的一些问题进行了分析，并提出了改进的同步整流技术和具体的电路，该技术已应用在具有工业标准的砖系列DC-DC模块电源中，并在实际应用中表现出优良的性能和兼容性。