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一种全桥同步整流器的设计及其应用
摘要 一般在AC／DC开关电源的输入级会加入一个全桥整流器，将电网的交流电压变为脉动的直流，以便之后DC&DC变换器的处理。由于传统桥式整流器的整流二极管存在约1 V的电压降，当系统功率较大时，此整流桥将消耗一部分能量，这部分能量损失使得在设计系统时需进行额外的散热处理。同时这部分损失的能量也降低了AC／DC电源的系统效率。文中从用N沟道的增强型MOSFET构建全桥同步整流器，并引入相应控制信号对其进行全桥同步整流，仿真结果达到了设计要求。
关键词 AC／DC开关电源；桥式整流器；DC&DC变换器；全桥同步整流
&&& 由于现代高速超大规模集成电路的尺寸不断减小，同时又对功率要求的不断增加。因此必须提高供电电源的功率密度，在有限的散热空间里增加功率密度，就必须提高电源的工作效率。近年来，通过增加输出级同步整流、引入软开关技术等，使得开关电源的效率得到了大幅提高。如何进行一步提高其工作效率，笔者从输入级的一次整流入手进行了相应分析和研究。
1 原理与设计
1．1 桥式整流与桥式同步整流分析
&&& 一般开关电源中一次整流电路结构如图1所示。因为图中电源V1由电网提供，要采用高压二极管对其进行整流，所以D1，D2，D3，D4的压降约为1 V。当输出电流为I时，将在整个整流桥上产生P(VD)=1&2&I的功率损耗。
&&& 桥式同步整流电路结构如图2所示，图中M1、M2、M3、M4为n沟道增强型功率MOS管，其中D1、D2、D3、D4为其寄生体二极管。图中左半部分为其驱动信号产生模块。
&&& 为进一步提高电源变换器的效率，降低一次整流部分的损耗是提高电源变换器工作效率的一种有效途径。采用P-MOSFET管来实现整流功能的整流电路称为同步整流电路，P-MOSFET管不像二极管那样能自动截止反向电流，需要用P-MOSFET管来实现同步整流，必须控制P-MOSFET管的导通和关断，而P-MOSFET管的导通和关断又取决于它的栅极驱动信号。因此，在设计同步整流P-MOSFET管栅极驱动信号的大小和时序，要确保同步整流电路的正常工作。图3为相应开关管M1、M2、M3、M4控制信号S1、S2、S3、S4波形图。
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广告经营许可证 | 豫B2- | 增值电信业务经营许可证 豫B2-图 16 在 副 边 出 现 的 短 路 示 意 图
反激变换器副边同步整流控制器STSR3应用电路详解（2）
(深圳中电公司电力所，广东&&&
深圳&&& 518042）
摘要：为大幅度提高小功率反激开关电源的整机效率，可选用副边同步整流技术取代原肖特基二极管整流器。它是提高低压直流输出开关稳压电源性能的最有效方法之一。
关键词：反激变换器；副边同步整流控制器STSR3；高效率变换器
2.7&&& 预置时间（tant）防止原边和副边共态导通&&&
实现同步整流的一个主要难题，是确保控制IC送出的驱动信号正确无误，以防止在副边的同步整流器与原边开关管之间出现交叉的“共态导通”。其示意图可见图16中波形。当原边MOSFET导通时，图16中电压Vs倾向于负极性。如果副边同步MOSFET关断时带有一些延迟，那么在原边和副边之间就会出现一个短路环节。为了避免这种不希望的情况发生，在原边MOSFET导通之前，同步MOSFET必须是截止的，这表明有必要设置一定量的“预置”时间tant。
图16&&& 在副边出现的短路示意图
&&& 图17给出了详细展开的正常工作情况时，CK时钟信号与OUTGATE输出驱动信号之间的定时关系图。芯片内部的定时tant提供了所需要的预置时间，从而避免了共态导通的出现。按表1的供电条件使用脚SETANT，tant有三种不同的选择值。在脚SETANT外接电阻分压器供电，可得到表1中所需的该脚电压值和预置时间。
图17&&& STSR3给出的定时信号
表1&&& 预置时间条件与数值表
0&SETANT&(１/３)Vcc
(１/３)Vcc&SETANT&(2/3)Vcc
(2/3)Vcc&SETANT&Vcc
&&& 芯片内的数字控制单元产生这些预置时间，是通过计算在开关周期之中包含的高频脉冲数目来完成的。由于该系统具有数字性能，在计数过程中会丢失一些数位，从而导致输出驱动信号中发生跳动。表1中的预置时间值是一个平均值，考虑了这种跳动因素。图18给出了OUTGATE关断期间的跳动波形。
图18&&& OUTGATE关断时的跳动波形
2.8&&& 空载与轻载工作状态
&&& 当占空比&14％时，STSR3的内部特性能使OUTGATE关闭，并且切断芯片内部大多数电路供电，从而减小器件的功耗。在这种条件下，变换器的低输出电流，是由同步MOSFET的体二极管来完成的。当占空比&18％时，IC再次起动，所以具有4％的滞后量。当原边的PWM控制器在极轻输出负载下发生突发状态时，这种特性仍能维持STSR3系统正确工作。
&&& 输出驱动器具有承受大电流的能力，源极峰值达2A，加散热器后可达3A。因此同步MOSFET开关极快，允许并联几只MOSFET以减小导通损耗。在供电期间的高电平是Vcc，所以芯片只驱动具有逻辑电平栅极门限的MOSFET。
2.9&&& 瞬态特征及实测波形
&&& 在负载发生大变化时，占空比可在几个开关周期里从低值极快地变为高值，反之亦然。但OUTGATE给出的预置时间，是根据计算开关周期（频率），而非依据占空比。即使在占空比快速变化时，它也能正确地提供预置时间，从而始终为同步MOSFET提供正确的驱动。图19给出了占空比在一个周期里从50％变成80％，随即又返回50％时的测量波形。图20给出了OUTGATE正确提供的预置时间，从图中看到是131ns。
图19&&& 占空比极快变化波形图之一&&&
占空比快变50％80％
图20占空比极快变化波形图之二&&&
OUTGATE提供了正确的预置时间131ns
2.10&&& 同步整流控制器STSR3的典型应用电路图
&&& 图21给出了STSR3的典型应用电路板测试图。该电路可替代反激变换器中的整流二极管，用外部时钟检测器进行同步，可用于各种类型的反激变换器，例如AC/DC或者DC/DC。图中的一些电路不是必需的，例如，当原边开关截止时如果没有振铃出现，那么R24，D15，R25和C11就可以删掉。用TO-220塑壳封装的同步MOSFET可装配在电路板上。ST公司提供的适合作同步整流的MOSFET产品型号、规格列在表2中。
图21&&& 同步整流控制器STSR3典型应用试验电路板
表2&&& ST公司提供的专用于同步整流器超低导通电阻的MOSFET新品规格
RDS(on)@5V/mΩ
ID(cont)/A
STP100NF03L－03
STP80NF03L－04
STP90NF03L
STP85NF3LL
STP70NF3LL
STP100NF04L
STP80NF55L－06
STP60NF06L
STP80NF75L
STP40NF10L
&&& 该电路板，能在反激式变换器中，很容易地将二极管整流改变为MOSFET同步整流。表3详细地列出了电路板上选择每个元器件时的注意事项。
2.11&&& 主芯片STSR3印刷电路板的设计布局
&&& 任何一种高频开关电源，都需要一个良好的PCB设计布局，以实现整机系统性能的最高指标，并解决干扰的辐射传导问题。电路板上元器件的排放位置、引脚走线和宽度等，都是主要的课题。本文将给出一些基本的规则，使PCB设计者能制作出良好的STSR3电路板布局。
&&& 在PCB上画线时，所有电流的走线都应尽量缩短和加粗，使走线电阻和寄生电感为最小值，以增进系统的效率和降低干扰的辐射传导。电流返回的路径安排是另一个有决定意义的课题。信号的地线SGLGND与功率地线PWRGND应分别布线，并且都接芯片的信号地线脚。印刷电路板各元器件布局如图22所示。
图22&&& STSR3印刷电路板各元器件布局（注：为了便于看清楚，该板的实际面积被放大了）
&&& 由于脚INHIBIT接芯片内部－25mV比较器，它对布线较敏感，所以要使板上接INHIBIT的连线尽可能缩短。作为经验，信号电流的走线应远离脉冲电流或快速开关电压的走线，以避免在它们之间出现耦合效应。
&&& 图23给出了从元器件焊接的正面（即顶部端）看到的印制板铜箔（按1：1面积尺寸）的绘线布局；图24则给出了印制板背面（即底部端）铜箔绘线，有十几个园形穿孔点。
图23&&& 印制板正面铜箔走向布局
图24&&& 印制板背面铜箔布局
表3&&& 选用同步整流STSR3典型应用电路板各单元器件注意事项
（1）供电单元
C5，C6& 100nF、瓷介，Vcc旁路电容器
U1标准电压调节器，供5V电源（SOT89）若板上已有5V，则去掉U1，闭合跨接线
C27& 8L05的输入电容器(330nF)，瓷介
C37& 8L05输出电容器(150nF)，瓷介
D10& 当电压高于5.6V时保护Vcc
JP1& 若电路板上已可得到5V，则闭合该跳线
（2）同步单元
D2& 当电压高于Vcc时保护脚CK（如果使用U3，则不需要它）
D14& 阻断来自同步整流器漏极的高压
R20& 拉住电阻器（3.3kΩ）
R21& 加速电阻器（10kΩ）
R22& 低通滤波器电阻（10kΩ）
R23& 脚CK串联电阻器（1kΩ）
C9& 加速电容器（22pF）
C10& 低通滤波器电容（10pF）
U3& 非反向缓冲器ST74V1T70
（3）禁止电路
R26& 当同步整流漏极电压高于Vcc时限制去二极管D16的电流
D16& 当电压高于Vcc时保护脚INHIBIT。若流入该脚电流小于10mA，则不必要
D7& 在负极性电压时保护脚INHIBIT。
D15& 阻止C11放电
R24& 消隐电路综合电阻器
R25& 消隐定时电阻器
C11& 消隐定时电容器
（4）预置电路
R7，R13=10kΩ×2设置预置时间的电压电平
JP6，JP5，JP4& 分别设置最大、中间、最小预置时间
（5）功率级电路
M1& 同步MOSFET（TO220封装）
R4& 栅极拉下电阻器
R19& 栅极串联电阻器（典型值0Ω）
C8& 栅极电容器，避免SRMOS管出现dv/dt导通（在普通应用中不必要）
D13& 加速截止SR－MOS（若用R19时）
C1，R1& 小型缓冲器可减小同步MOSFET的截止尖峰
D1& 肖特基整流管并联在同步MOSFET漏―源极之间，在栅极驱动有延迟时间情况下，它可以在电压下降时提高变换器的效率。
2.12&&& 怎样用STSR3控制板便捷替换原二极管
&&& 图25给出了用简便方法，在原有反激变换器上，去掉已安装的副边整流二极管，换上同步整流STSR3控制板的示意图。如果原Vout等于或大于5V，就把新板上的Vs电压线接到Vout；若它低于5V，仍把Vs接到MOS漏极。
图25&&& 用简便方法替换原反激变换器副边二极管示意图
3&&& 结语&&& 专用于控制同步整流的新器件已问世，它能提高AC/DC或DC/DC反激式变换器的效率。STSR3对于原边PWM控制器是完全透明的，它工作在副边。该器件能工作在任何拓扑结构，为同步MOSFET开关管提供正确的驱动信号。以上介绍的控制板在任意现存的反激变换器上，均能以简单有效的方法实现同步整流。（续完）
&&& 刘胜利（1945－），男，高级工程师。曾编写彩色电视机IC、显示器等三本专著，译著二本。编写了《现代高频稳压电源的实用设计》。详细介绍用新IC、功率管和多种磁芯制作各类开关稳压电源，有大量的试验数据和实测波形及绕制多种主功率变压器、驱动变压器、滤波电感和谐振电感等工艺。NXP推出GreenChip PFC(功率因數校正)和SR(同步整流)控制器等高效能的綠色電源產品::大聯大控股
NXP推出GreenChip PFC(功率因數校正)和SR(同步整流)控制器等高效能的綠色電源產品
恩智浦半導體(NXP Semiconductors，由飛利浦創建的獨立半導體公司)日前推出一套全新的電源管理解決方案，可有效減少市場上桌上型電腦和筆記型電腦的功耗。GreenChip PFC晶片、GreenChip同步整流控制器和一系列LFEPAK封裝的30V功率MOSFET元件產品組合將於今年2月在美國華盛頓的應用電源電子大會（APEC）上首次亮相。藉由這些產品系列，恩智浦展現了其投資開發GreenChip（“綠色晶片”）等高效能解決方案不變的決心，同時突顯了電源效率提升的發展趨勢，由此誕生出更加智慧的電源晶片，在終端產品上表現節能效果。恩智浦半導體電源解決方案行銷總監Edwin Kluter先生表示：「產品效能每增加1％，就能成就或淘汰一款產品；而恩智浦致力於打造高成本效益、升級簡易、更環保的產品，以降低電源功耗並減少熱損耗，進而將效能提升20％至30％，引領市場不斷向前發展。」GreenChip功率因數校正（PFC）GreenChip III電源轉換器晶片上整合的PFC功能，不僅可利用於高效能標準的筆記型電腦電源轉換器，我們發現，它也可以讓電腦設備電源（75W-600W）、消費性產品電源和工業級電源發揮最高能源效率。透過導入單獨PFC功能的GreenChip TEA1742，恩智浦已完成符合 80PLUS&黃金標準的高效能個人電腦電源系統解決方案。經由結合晶片的高壓SOI（EZ-HV）製程和具有專利的GreenChip應用方案，可以使電源的PFC部分發揮最大效率。專利的二段式PFC輸出精準的電壓，可用於全電壓輸入，以最低成本實現最高能源效率。此外，該晶片還採用低/零位元電壓開關，實現最低開關損耗；通過退磁檢測實現準諧振運行（臨界傳導模式），達到最大效率。GreenChip同步整流（SR）控制器該高度整合的解決方案可替代低能源效率的二極體整流電路，實現經濟的晶片設計。GreenChip同步整流晶片 TEA1791使電源中實現同步整流更為簡便，與GreenChip以及其他電源控制晶片達到完全相容。GreenChip同步整流晶片能明顯減少週邊元件數量，相比分立器件解決方案顯得更為可靠。 該款晶片採用一種小針腳PCB封裝（SO8）技術和矽絕緣技術，因此電路性能穩定、周邊元件少、工作電壓範圍大，並擁有強大的驅動能力、高驅動輸出電壓（10V），相容恩智浦和其他品牌的MOSFET元器件，運行能力強且VCC電壓範圍大（8.5至38V）。恩智浦半導體電源整合部行銷副總裁Doug Bailey先生表示：「在符合80+黃金標準的300W個人電腦電源參考設計中，我們的工程師十分重視同步整流器MOSFET的可靠性。我們發現恩智浦的全新元件——TEA1791T就是適合此類應用的理想同步整流控制器，它可以確保迅速可靠地關閉同步整流MOSFET器件，因此獲得很高的效率。」GreenChip PC方案和同步整流控制方案，是大獲成功的GreenChip電源控制器系列產品的第三代，該系列產品晶片累計銷量已超過四億顆。GreenChip產品系列讓電源製造商能以良好的成本效益更輕鬆地達到能源效率標準（如80PLUS&和能源之星&）。GreenChip系列專為節能設計，自誕生之日起，就引領著個人電腦能源效率的產業標準。 Trench 6 MOSFET恩智浦最新的MOSFET器件具有優異的性能，確保設計的電源達到超高的效率。全新推出的10款30V LFPAK封裝MOSFET，導通電阻從1.7mOhm至9mOhm，給設計師提供了多種款型選擇，從而獲得最佳組合，讓DC-DC電源供應系統達到最佳性能。上市時間 樣品將於至18日在華盛頓的應用電源電子大會（APEC）上公開展示。有關恩智浦電源管理解決方案的其他資訊，請至 。關於恩智浦半導體恩智浦是飛利浦在50多年前創建的全球領先的半導體公司。公司總部位於歐洲,在全球超過20個國家擁有33,500名員工，2007年公司營業額達到63億美元(包括手機及個人行動通信業務)。恩智浦提供半導體、系統解決方案和軟體,為電視、機上盒、智慧識別應用、手機、汽車以及其他廣泛的電子設備提供更好的感知體驗。關於更多恩智浦的新聞,請參觀網站前瞻性陳述本新聞稿中可能包含有關恩智浦半導體財務狀況、營運與業務成效的前瞻性陳述,以及恩智浦半導體關於這些內容的計畫與目標。由於其特性,前瞻性陳述中將包含風險和不確定性,因其涉及到一些事件, 並且依賴未來的環境,同時很多因素也會影響最終結果和進展,使之偏離這些前瞻性陳述的論述與暗示。