電源適配器同步整流技術與傳統(tǒng)技術對比

     微處理器等很多高速數(shù)字邏輯電路都需要低電壓大電流功率變換器?隨著功率變換器輸出電壓的降低,整流損耗成為變換器的主要損耗?為使變換器的轉換效率提高,整流損耗必須降低?采用低導通電阻的 MOSFET進行整流,是提高變換器效率的一種有效途徑?根據(jù)MOS-FET的控制特點,同步整流這一新型的整流技術應運而生,實現(xiàn)同步整流功能的 MOSFET稱為同步整流器? MOSFET不能像二極管那樣自動截止反向電流,必須控制MO)SFET的導通和關斷? MOSFET的導通和關斷取決于柵極驅動信號?因此,必須仔細設計柵極驅動信號的大小和時序,以確保同步整流器正常工作?按照驅動信號的不同,同步整流器有兩種驅動方式:電壓驅動方式和電流驅動方式?電壓驅動方式以其結構簡單?經(jīng)濟高效而受到人們的廣泛關注?

      現(xiàn)今電源適配器發(fā)展的趨勢是低電壓?大電流,使得在次級整流電路中選用同步整流技術成為一種高效?低損耗的方法?由于功率 MOSFET的導通電阻很低,能提高電源適配器效率,所以在采用隔離Buck電路的DC/DC變換器中已開始形成產(chǎn)品?同步整流技術原理示意圖如圖2-36所示同步整流技術是通過控制功率M()SFET的驅動電路來利用功率MOSFET實現(xiàn)整流功能的技術?一般驅動頻率固定,可達200kHIz以上,門極驅動可以采用交叉耦合( cross-coupled)或外加驅動信號配合死區(qū)時間控制實現(xiàn)?

     同步整流技術出現(xiàn)得較早,但早期的技術很難轉換為產(chǎn)品,這是由于當時驅動技術不成熟,可靠性不高?現(xiàn)在技術已逐步成熟,出現(xiàn)了專用同步整流驅動芯片(如IR1176等)?專用配套的低導通電阻功率MOSFET和可降低MO)SFET并聯(lián)寄生二極管的導通損耗的肖特基二極管?在產(chǎn)品設計中,解決分布電感對MO)SFET開關損耗影響的設計圖2-36同步(倍流)整技術正在研發(fā)中,并已取得進展?流電路原理示意圖

      經(jīng)過這幾年的發(fā)展,同步整流技術已經(jīng)成熟?由于開發(fā)成本的原因,目前只在技術含量較高的電源適配器模塊中得到應用?如SYNQ)R,TYCO, ERICSSO)N等公司都推出了采用同步整流技術的產(chǎn)品?

      現(xiàn)在的電源適配器模塊仍主要應用在電子設備構成的系統(tǒng)中?隨著電子技術的發(fā)展,電子設備芯片所需的電壓逐步降低,5V和3.3V早已成為主流,正向2.5V?1.5V甚至更低的方向發(fā)展?電子設備的集成度不斷提高,分布式電源適配器系統(tǒng)中單機功率不斷增加,輸出電流從早期的10~20A到現(xiàn)在的30~60A,并有不斷增大的趨勢?同時,要求體積要不斷減小?這就為同步整流技術提供了廣泛的應用需求。

  1.同步整流技術與傳統(tǒng)技術的對比

  在傳統(tǒng)的次級整流電路中,肖特基二極管是低電壓?大電流應用的首選?其導通壓降大于4V?但當電源適配器模塊的輸出電壓隨著電子技術發(fā)展而逐步降低時,采用肖特基二極管的電源適配器模塊效率損失驚人?在輸出電壓為5V時,效率可達85%左右;在輸出電壓為3.3V時,效率降為80%;輸出電壓1.5V時只有65%,應用已不現(xiàn)實?

  在低輸出電壓應用中,同步整流技術有明顯優(yōu)勢?功率 MOSFET導通電流能力強,可以達到60A以上?采用同步整流技術后,次級整流的電壓降等于 MOSFET的導通壓降,由MOSFET的導通電阻決定,而且控制技術的進步也降低了 MOSFET的開關損耗?在過去幾年中,用于同步整流的 MOSFET的工藝取得了突破性的進展,導通電阻下降到了原來的1/5現(xiàn)在,采用特殊工藝處理的 MOSFET能達到非常低的導通電阻?如IR公司的產(chǎn)品IRHS- NA57064,當通導電流為45A時,其導通電阻僅為5.6m,并且已批量投放市場同步整流技術提高了次級整流效率,使生產(chǎn)低電壓?大電流?小體積的電源適配器模塊成為現(xiàn)實如 SYNQOR公司的TERA系列為標準半磚模塊(2.3英寸×2.4英寸),采用同步整流技術其輸出電壓較低可到1.5V,輸出電流較大可到60A,功率密度達到每立方英寸60瓦

  2.電源適配器同步整流技術的優(yōu)勢

  同步整流技術提高了電源適配器效率,但其意義遠不只如此?它給電源適配器模塊帶來了許多新的進步?下面以 SYNQOR公司的電源適配器模塊為例進行介紹?

  SYNQOR公司采用同步整流技術生產(chǎn)的電源適配器模塊,由于降低了功耗,達到了很高的效率(91%)?由于功耗的降低,在結構上實現(xiàn)了突破性的進步,取消了散熱器,采用了無基板結構在傳統(tǒng)的電源適配器模塊中,基板是標準配置,是提供散熱途徑的重要部件,用來安裝散熱器同時,將功率器件集中于基板上,與控制電路板分開,減小了發(fā)熱元件對控制芯片的影響?SYNQOR公司的電源適配器模塊取消了基板和散熱器?在相同通風條件下,一樣能達到所需功率這正是采用同步整流技術的成果?它有許多顯著優(yōu)點:

  ①由于基板結構復雜,控制電路板?散熱器及磁芯元件的安裝和焊接都需要人工,增加了故障可能性,降低了生產(chǎn)效率?基板結構要求功率元件與基板間必須保持良好絕緣,這正是傳統(tǒng)電源適配器容易產(chǎn)生故障的地方之

  ②采用同步整流技術后,可以使用無基板開放式結構?這樣,更方便采用平面變壓器等新技術,使用多層電路板上的銅箔布線作為線圈,磁芯直接嵌在多層電路板中,磁芯散熱良好多層電路板上的銅箔耦合緊密,較主要的是可以由加工設備自動化生產(chǎn),實現(xiàn)了電源適配器模塊全部自動化生產(chǎn),極大地提高了生產(chǎn)效率和可靠性?平面變壓器與傳統(tǒng)變壓器相比,還能夠實現(xiàn)高功率密度,真正達到小型化

③此外,基板結構中要填充絕緣導熱材料,增加了重量?帶有基板和散熱器的傳統(tǒng)電源適配器模塊由于體積和重量大,抗震能力差,在電子設備的機架中阻礙空氣流通,降低了風扇效能?而采用同步整流技術的 SYNQOR電源適配器模塊是開放式結構,高度僅為10mm(0.4英寸),節(jié)約了機架空間,利于通風,方便控制板上其他芯片的散熱;更高的功率密度使電源適配器模塊節(jié)約了在通信控制板上所占的空間;較低的功耗減少了分布式系統(tǒng)前端主電源適配器的負擔,節(jié)約了系統(tǒng)投資?

  ④采用同步整流技術后,增強了抗電磁干擾(EMI)的能力?由于減少了基板,所以原先存在于基板和接地間以及基板和元件間的寄生電容沒有了,這些寄生電容帶來的較大共模干擾也消失了,提高了電源適配器抗電磁干擾的性能,如圖2-37所示?功率器件同步整流技術符合高效節(jié)能的要求,適應新一代芯片電壓的要求，有著非常廣闊的應用前景。但目前只有較少的公司掌握了該項技術，并且實現(xiàn)的成本也很高，而且還有很多應用領域未得到開拓。隨著用于同步整流的 MOSFET批量投入市場，專用驅動芯片的出現(xiàn)，以及控制技術的不斷完善，同步整流將成為一種主流電源技術，逐步應用于廣泛的工業(yè)生產(chǎn)領域。