- 測(cè)試電路
- 實(shí)施同步整流可以節(jié)省電源
- LLC 輸出的同步整流
隨著“整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都保持超高的效率”這一要求成為產(chǎn)品規(guī)格的一部分，設(shè)計(jì)工程師在評(píng)審 AC/DC 電源拓?fù)鋾r(shí)都將減少能耗作為具體的目標(biāo)。 圖 1顯示了一個(gè)能提供一流效率的拓?fù)涫纠?本文由 Future Electronics(EMEA) 公司的技術(shù)項(xiàng)目經(jīng)理John Stephens 編著，應(yīng)廣大 IC制造商的要求介紹了如何處理此拓?fù)渲凶詈笫Ｓ嗟闹饕芎牟糠郑狠敵稣麟A段。
先前對(duì)此拓?fù)涞脑鰪?qiáng)為交錯(cuò)式臨界導(dǎo)通模式 (BCM) 階段提供了優(yōu)異的 PFC 控制 IC，而新 LLC 控制 IC 可以實(shí)現(xiàn)更高效的設(shè)計(jì)。目前，LLC 共振轉(zhuǎn)換器的輸出整
流階段的損耗一般會(huì)占能耗預(yù)算成本的大部分。 為了進(jìn)一步提高效率，需要使用同步整流。
來(lái)自 International Rectifier 和Diodes Inc. 公司的兩款 IC 現(xiàn)在已被視為這一問(wèn)題的潛在解決方案。 在這些設(shè)備面市之前，LLC 共振轉(zhuǎn)換器的同步整流技術(shù)由于太復(fù)雜和難度太高而無(wú)法真正實(shí)施。共振 LLC 電路中的同步整流技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)對(duì)于電壓饋送電路，通常為 PWM 或串并聯(lián)共振拓?fù)?，電源變壓器的附?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >線圈或抽頭將足以驅(qū)動(dòng)同步整流電路。
LLC 共振拓?fù)溆兴煌河捎谒捎玫氖请娏黟佀褪诫娙萜髫?fù)載結(jié)構(gòu)，因此無(wú)法使用電源變壓器波形來(lái)驅(qū)動(dòng)同步整流電路。 這是因?yàn)榈诙€(gè)線圈上的電壓在導(dǎo)通期間通過(guò)MOSFET 連接到輸出，因此會(huì)保持線圈電壓，直到 MOSFET關(guān)閉。
解決這一問(wèn)題的其中一種方法是感應(yīng) MOSFET 周圍的電流流動(dòng)和電壓。 這需要以下功能：
? 電流感應(yīng)
? 電壓感應(yīng)
? 高速邏輯
? 高電流柵極驅(qū)動(dòng)
這些感應(yīng)功能以及其測(cè)量值的使用在分立元件中將極其難以實(shí)施。 幸運(yùn)的是，以下兩個(gè) IC 可以替設(shè)計(jì)工程師做這項(xiàng)工作：Diodes Inc. 推出的 ZXGD3103 和 InternationalRectifier 推出的 IR1168。
它們均屬于二次端驅(qū)動(dòng)器，可以與用來(lái)替換 Schottky 二極管的 MOSFET 密切配合使用。 ZXGD3103 是要求兩個(gè) IC 的單一驅(qū)動(dòng)器，而 IR1168 是僅要求一個(gè) IC 的雙驅(qū)動(dòng)器。 它們都借助 MOSFET 處的漏源電壓的降低來(lái)感應(yīng)電流，但它們的內(nèi)部工作方式不盡相同。
測(cè)試電路
為了評(píng)估這些二次端驅(qū)動(dòng)器在 LLC 電源設(shè)備的輸出整流中節(jié)省電源的能力，倫敦的 Future Electronics 實(shí)驗(yàn)室依托 Fairchild Semiconductor 開(kāi)發(fā)的評(píng)估板建立了一套測(cè)試裝置。 它是一種 390V 直流輸入至 25V 直流輸出的共振 LLC電源，能夠?yàn)樨?fù)載提供 200W 的電源。為了簡(jiǎn)化測(cè)試裝置，僅使用了雙 IR1168 的一半。 圖 2 顯示了滿載 (F.L.) 下的波形詳圖，圖 3 顯示了 25% 滿載下的波形詳圖。
Ch1 = Vds 反轉(zhuǎn)
Ch4 = Ids 流入 Co
Math = Vgs (Ch2-Ch3)（其中 Ch2 - V dg 和 Ch3 - V ds）
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在這兩個(gè)圖中，令人關(guān)注的是快速柵極驅(qū)動(dòng)電壓。在探測(cè)到寄生二極管在 MOSFET 中的正向壓降之后約 200 納秒內(nèi)，Q1 打開(kāi)，減少其電壓 (Ch1 - Vds)。 在這兩個(gè)測(cè)試中，Q1 Vds 均高于預(yù)期。 這可能由電路電感和示波器的容量造成的。在滿載情況下，柵極驅(qū)動(dòng)電壓在正弦電流開(kāi)始減少時(shí)下降。這可能是電路的電感和 Q1 TO-220 封裝的電感造成的。對(duì)布局進(jìn)行改進(jìn)并選擇低電感的封裝應(yīng)該可以解決此問(wèn)題。
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同上面一樣，圖 4 顯示了測(cè)試電路滿載 (F.L.) 下的波形詳圖，圖 5 顯示了 25% 滿載下的波形詳圖 （使用 IR1168 設(shè)備）。 同 ZXGD3103 一樣，IR1168 測(cè)試電路揭示了快速柵極驅(qū)動(dòng)電壓；在探測(cè)到寄生二極管在 MOSFET 中的正向壓降之后約 200 納秒內(nèi)，Q1 打開(kāi)，減少其電壓 (Ch1 - Vds)。同前面一樣，Q1 Vds 高于預(yù)期，可能是出于同樣的原因。
在滿載測(cè)試電路中，柵極驅(qū)動(dòng)電壓在正弦電流開(kāi)始減少時(shí)早期終止，這可能是由電路的電感和 Q1 TO-220 封裝的電感造成的。 與前面使用 ZXGD3103 的測(cè)試一樣，對(duì)布局進(jìn)行改進(jìn)、減少阻抗和選擇低電感的封裝應(yīng)該可以解決此問(wèn)題。
實(shí)施同步整流可以節(jié)省多少電源？
實(shí)施同步整流的主要原因是節(jié)省電源。下表詳細(xì)說(shuō)明了主要相關(guān)參數(shù)。
對(duì)布局進(jìn)行改進(jìn)并選擇低電感的MOSFET封裝后，兩個(gè)同步整流電路展示了更高的效率；因此，表中所示的 ZXGD3103與 IR1168 電路之間的略微差別不是嚴(yán)重問(wèn)題。令人清楚的一點(diǎn)是，通過(guò)遵照制造商的應(yīng)用指南，在實(shí)施設(shè)計(jì)不太完美的電路后是有可能大幅度節(jié)省電源的。
令人清楚的另一點(diǎn)是，大約在 25% 滿載或 以上負(fù)載時(shí)才開(kāi)始觀察到電源節(jié)省效果。 在滿載時(shí)，Schottky 二極管造成散熱器溫度升高，以致于需要一個(gè)小風(fēng)扇才能繼續(xù)工作。相反，同步整流電路中的 MOSFET 可以在不使用散熱器的情況下滿載工作，而且在這兩種情況下，溫度升高幅度很小，用手觸摸時(shí)也不燙手。 這表明，通過(guò)消除散熱器和風(fēng)扇，有可能實(shí)現(xiàn)大幅度的電源節(jié)省。
總之，隨著 ZXGD3103 和 IR1168 的面市，在 LLC 電路的輸出階段實(shí)施同步整流有望變得切實(shí)可行。 這種新技術(shù)似乎在 25% 滿載至 100% 滿載的范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)電源節(jié)省。
