同步整流技术培训

1现代高代高频开关开关电源之同步整流技源之同步整流技术Synchronous Rectifier(SR)TechnologySynchronous Rectifier(SR)TechnologyBy DQA Terry Wang_-02-012传统二极管整流二极管整流电路面路面临的的问题同步整流技同步整流技术及其特点及其特点同步整流的基本原理同步整流的基本原理同步整流的同步整流的类别和和说明明典型典型电路路实例分析例分析同步整流的功率同步整流的功率MOSFETMOSFET最新最新进展展GW-EPS1000DA(90+)GW-EPS1000DA(90+)同步整流同步整流设计分析分析同步整流典型案例分享同步整流典型案例分享Agenda Agenda 目目录3随着电子技术的发展，使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作利于降低电路的整体功率消耗，但也给电源设计提出了新的难题。一、一、传统二极管整流二极管整流电路面路面临的的问题开关电源损开关电源损耗主要来源耗主要来源在低压、大电流输出的情况下，整流二极管的导通压降较高，输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管（FRD）或超快恢复二极管（UFRD）可达，即使采用低压降的肖特基二极管（SBD），也会产生大约的压降，这就导致整流损耗增大，电源效率降低。功率开关管高频变压器输出端整流管SBD(UF=0.4V)Uo(V)53.30.8PF/Po=UF/Uo(%)81250功率功率MOSFET（UF=0.1)Uo(V)3.31.81.5PF/Po=UF/Uo(%)35.556.66公式推导:忽略输出整流电路的开关损耗时,则PF/PO=UFIF/UOIO.其中PF与PO分别为SBD的功耗及DC/DC PWM转换的输出功率.对于某些整流电路,如中点抽头全波整流电路,有IF=IO则有PF/Po=UF/Uo.即UF/Uo反映了功率比PF/Po的大小.典型MOS管与SBD导通压降比较4二、同步整流技二、同步整流技术及其特点及其特点同步整流技术概念同步整流技术概念同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。5同步整流技术特点同步整流技术特点2.高效整流特性1.同步整流特性二、同步整流技二、同步整流技术及其特点及其特点6三、同步整流的基本原理三、同步整流的基本原理基本原理基本原理根据 SR 工作原理,同步整流网络的功率损耗主要包括:VD1和VD2 的导通损耗;VD1和VD2的反向恢复损耗;VM1和VM2 的导通损耗;VM1和VM2 的驱动损耗当开关频率1MHz时,VM1和VM2的栅极驱动损耗占整流网络总损耗的主要部分;而开关频率1MHz时,VM1和VM2 的导通损耗占主导地位。低频情况下,应尽量减小VD1和VD2 的导通时间,或消除VD1和VD2的导通,则电源效率会显著提高.而达到这一目的,关键是优化VM1和VM2 的驱动波形,使其接近于方波,能快速地导通或关断VM1和VM2.VM1和VM2理想驱动波形如左图2.其中Uth1和Uth2分别为VM1和VM2 的阈值电压(一般n channel MOS管的为0.6V1.4V).7四、同步整流的四、同步整流的类别和和说明明根据功率 MOS 2SR 驱动形式的不同,得到如下同步整流器的分类图。8定义定义:交叉式 SR因为 SR1、SR2 的栅极和漏极通过主变压器交叉联接而得名.其特点其特点:SR 管的驱动网络简单,利用主变压器次级的电压来实现 SR 管的开通与关断,无需附加驱动器和附加变压器。三种三种SR拓扑：拓扑：根据变压器的去磁复位方式有:正激谐振复位式(FRR);正激有源钳位复位式(FACL);正激多谐振复位式(FMRC).图5a利用主变压器的谐振复位原理:当开关频率超过一定范围(如 500kHz),通过适当调整主变压器的励磁电感 Lm,则Lm 与开关管的寄生参数(如:输出电容 Co)谐振的同时,使主变压器磁通复位.主变压器的复位时间 Treset和谐振峰值 Um受开关器件的寄生参数 Co 的影响,对策是在 SR1管漏源极间并联一个合适的电容,以便适当降低谐振频率,使 Um 减小,Treset增大。C1 的最优值是使 Usec在主开关 VMm 开通时刻恰好回到零图 5b为有源钳位式同步整流:在变压器初级并联一个有源钳位网络.该电路显著优点：一是将有源钳位技术引入同步整流器中.二是具有良好的 SR 驱动波形,其最接近理想波形;另外,同a相比 优点还有:钳位网络的存在,主开关上的电压应力低;主变压器对称工作于 B2H平面的第一、三象限,利用率高,体积可减小一半;恒频工作,可以实施 PWM 调制;当主变压器的励磁电感 Lm 减小到一定程度,可以实现主开关的零电压开通图 5c SR管的驱动是谐振方式,其特点:驱动损耗小(较适用于 1MHz以上的变换器);变换器效率低(其驱动波形与理想波形相差较大,肖管导通时间长(约为 20%TS);电压应力大,在500kHz以下无优势可言;只能采用调频控制。四、同步整流的四、同步整流的类别和和说明明9背景背景:Cross SR 的工作原理是利用主变压器次级电压 Usec驱动 SR 管工作的,因而 Cross SR的性能受 Usec制约,可归纳为:Usec峰值应满足SR管的安全范围,Uth Usec CGS）,因此,应按CEI来计算在规定时间内导通所需要的栅极峰值驱动电流IG（PK）.IG（PK）等于总栅极电荷除以导通时间.即 IG=QGtON（3）将QG，tON=13ns代入式（3）中，可计算出导通时所需的IG(PK)。同步整流管V2由次级电压来驱动，R2为V2的栅极负载。同步续流管V1直接由高频变压器的复位电压来驱动，并且仅在V2截止时V1才工作。当肖特基二极管VD2截止时，有一部分能量存储在共模扼流圈L2上。当高频变压器完成复位时，VD2续流导通，L2中的电能就通过VD2继续给负载供电，维持输出电压不变。辅助绕组的输出经过VD1和C4整流滤波后，给光耦合器中的接收管提供偏置电压。C5为控制端的旁路电容。上电启动和自动重启动的时间由C6决定。输出电压经过R10和R11分压后，与可调式精密并联稳压器LM431中的基准电压进行比较，产生误差电压，再通过光耦合器PC357去控制DPA424R的占空比，对输出电压进行调节。R7、VD3和C3构成软启动电路，可避免在刚接通电源时输出电压发生过冲现象。刚上电时，由于C3两端的电压不能突变，使得LM431不工作。随着整流滤波器输出电压的升高并通过R7给C3充电，C3上的电压不断升高，LM431才转入正常工作状态。在软启动过程中，输出电压是缓慢升高的，最终达到的稳定值。五、典型五、典型电路路实例分析例分析12为满足高频、大容量同步整流电路需要,近年来专用功率MOS管不断问世,典型产品有:FAIRCHILDFAIRCHILD公司的NDS8410型N沟道功率MOSFET，其通态电阻为0.015;PhilipsPhilips公司的SI4800型功率MOSFET是采用TrenchMOSTM技术制成的，其通、断状态可用逻辑电平来控制,漏源极通态电阻仅为.IRIR公司的IRL3102（20V61A）、IRL2203S（30V116A）、IRL3803S（30V100A）型功率MOSFET，它们的通态电阻分别为、和，在通过20A电流时的导通压降还不到0.3V.这些专用功率MOSFET的输入阻抗高，开关时间短，已成为设计低电压、大电流功率变换器的首选整流器件。国外IC厂家开发出的同步整流集成电路同步整流集成电路(SRIC(SRIC)：IRIR公司公司的IR1176是一种专门用于驱动N沟道功率MOSFET的高速CMOS控制器。其可不依赖于初级侧拓扑而单独运行,且不需要增加有源箝位（active clamp）、栅极驱动补偿等复杂电路。IR1176适用于输出电压在5V以下的大电流DCDC变换器中的同步整流器，能大大简化并改善宽带网服务器中隔离式DCDC变换器的设计。若配上IRF7822型功率MOSFET，可提高变换器的效率。当输入电压为48V，输出为、40A时，DCDC变换器的效率可达86，输出为时的效率仍可达到85。Syncpower(擎力科技)的SP6013A(反激式)、SP6018(谐振式)和SP6019(SP6019(正激式正激式)等六、同步整流的功率六、同步整流的功率MOSFETMOSFET最新最新进展展13同步整流驱动器SP6019是一颗智能型的控制IC，其能够模拟整流管的开关时序，在搭配SR Mosfet(低导通电阻)以节省在整流回路上的损耗。SP6019的同步信号是抓取 SR Mosfet 上的 泄极到源极的电压信号(Vds)，再透过内部的 dV/dt的负缘判断电路来启动 SP6019 的动作开启点，这样的判断方式可以容易的让SP6019使用于不连续的工作模式(DCM mode)。SP6019内部有预测式控制判断电路，可以让SP6019 输出驱动信号于二次测的续电流结束前提前截止。还可利用外接电容可以调整提前截止的时间(死区时间 dead time)以避免SR Mosfet交越。2.同步驱动工作原理同步驱动工作原理七、七、GW-EPS1000DA(90+)GW-EPS1000DA(90+)同步整流同步整流设计分析分析设设计计原原理理图图14七、七、GW-EPS1000DA(90+)GW-EPS1000DA(90+)同步整流同步整流设计分析分析3.1 输入电压与输入电压拴锁：输入电压与输入电压拴锁：若SP6019 Pin 7 Vdd串接5.1R 其工作电压可工作10.516V间，最大的静态输入电压为17V；建议在输入电压端点对地并接电容10uf，当 SR Mosfet 越多时所需的外挂电容值越大.输入电压拴锁为 拴锁启动电压,约为左右。3.2 同步信号的抓取：同步信号的抓取：SP6019是抓取 SR Mosfet 上的 泄极到源极的电压信号(Vds)，且 PIN 8 SYNC内部箝制电压约为 5V、所以我们利用两个电阻来线性分压取得同步信号。3.3 负缘判断控制说明：负缘判断控制说明：SP6019内部有两的电压比较器 与，当SR Mosfet Vds 在负缘时 SP6019会计算 通过到的时间、如果计算的时间在所定的RT时间内就触发 SP6019 PIN 6MOSG-C。这样的控制法可以避免在无次极侧续流电流时误触发。图四：3.4 预测式控制说明：预测式控制说明：在SP6019内部的预测式控制电路，会计算周期启动时间以步阶的方式调整启动时间。且预设波形与真实的SR Mosfet Vds做比较以避免有交越的动作.可利用PIN 2 Pred 外加电容对地来增加 死区时间 dead time.图五5.5 动态调整控制说明：动态调整控制说明：在SP6019内部的动态调整控制电路，会计算每周期启动时间地变化;当下一周期PWM on_time；T2-T1 600ns时，SP6019 会立刻的将PIN 6 输出工作缩减至1us，以保护SR Mosfet 不会交越动作。图六：3.工作说明15七、七、GW-EPS1000DA(90+)GW-EPS1000DA(90+)同步整流同步整流设计分析分析续流管Q13 Vgs和Id 波形整流管Q12 Vgs和Id 波形死区时间1.46us 死区时间5.38us 改变C601容值560/50V151/50V4.死区时间及死区时间及双管导通分析双管导通分析16七、七、GW-EPS1000DA(90+)GW-EPS1000DA(90+)同步整流同步整流设计分析分析Q13 Vds和IdQ12 Vgs和IdQ13 Vgs和IdQ12 Vgs和Id17七、七、GW-EPS1000DA(90+)GW-EPS1000DA(90+)同步整流同步整流设计分析分析预置同步信号抓取18八、八、同步整流同步整流典型案例分享典型案例分享案例背景案例背景主板通电后Q1 A06601炸机频繁发生(右图),立案分析如下:分析过程分析过程1.首先量測AO6601 pin1(low side gate)以及pin3(high side gate)waveform-右图Ch1 黃色的部份是high side,Ch2 藍色的部份是low side,ch3 是Vin的部份(紫色)分析:可以看到不管是high side 或是low side 皆有induce 電壓堆疊的作用當high side 及low side 關掉的時候。High side 彈起約1.8V但在low side 彈起的同時(low side 約0.7V)high side最低約為0.6V,因此有可能會造成 high low side 同時導通的現象。由于實驗的AO6601 low side Vgs(th)值較高的關係,而沒有被燒掉,另一方面也可以從Vin 電壓也可以看出並沒有短路的現象(因為若是短路,電壓會往下drop),但目前沒有此現象。19八、八、同步整流同步整流典型案例分享典型案例分享(续)2.考虑到驱动限流电阻的影响,对比量测1R和10R是否引起同时导通现象下图R91和R93電阻为1量測waveform 只將high side R9 1換上10的gate.目的是想要將high side 的開啟時間延後,避開同时导通問題,但结果沒有差別3.考虑到high low side gate 的走線較長,懷疑線感較大,因 Vl=L*dt/di,走線越長所產生的L就越大L越大電壓就越容易堆疊.量測AO6601 pin3 的波形,同時比較R91另一端BCM4716所送出的gate驱动電壓,發現竟然差了0.32V(1.86V-1.54V).此電壓差別相當多，卻也相當margin.若是有較低Vgs(th)值(规格为)得Low sige 或是較早導通(高Vgs(th)的mosfet 就容易造成短路並擊穿量測AO6601 第三pin(high side gate)的waveform(黃色的部分)BCM4716所送出的gate驱动電壓(蓝色的部分)20七、典型案例分享七、典型案例分享(续)改善对策改善对策21Thank You